便攜式氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

吳甜甜　洪永俠　劉琢藝　程瑛　漆明森

摘 要

根據(jù)組成便攜式氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的主要硬件及項(xiàng)目總的技術(shù)要求，調(diào)研確定了相關(guān)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)及其選型、設(shè)計(jì)加工等一系列過(guò)程;找到了符合要求的各部分硬件。對(duì)項(xiàng)目中存在的技術(shù)難點(diǎn)提出了相應(yīng)解決方案。

關(guān)鍵詞

氚監(jiān)測(cè)儀;現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TL81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.030

0 引言

核燃料生產(chǎn)與使用，核電站運(yùn)行中會(huì)釋放出氣態(tài)氚。這些氣態(tài)氚一方面會(huì)對(duì)人員帶來(lái)輻射危害及環(huán)境污染，另一方面，氣態(tài)氚的排放量又是核設(shè)施運(yùn)行及環(huán)境安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，因此，必須對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，必須對(duì)用于監(jiān)測(cè)的儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，通常，該類儀器由于安裝污染等原因，只能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。由于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，要求現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置體型小，質(zhì)量輕且易于攜帶。

為了規(guī)范氚氣監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)條件及校準(zhǔn)方法，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）1983年發(fā)布了IEC761-5[1]，2002年又對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并改版成60761-5IEC∶2002[2]。該標(biāo)準(zhǔn)是目前各國(guó)普遍采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)參照采用該標(biāo)準(zhǔn)，制定頒布了GB7162·5-1987《用于輻射防護(hù)的空氣中氚的測(cè)量和監(jiān)測(cè)設(shè)備》[3]和GB 7165·5-1988《氚排出流監(jiān)測(cè)儀的特殊要求》[4]。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要用與監(jiān)測(cè)對(duì)象同一化學(xué)形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)氣體源對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)氣體源不確定度≤7%（k=2），而對(duì)于不同化學(xué)形態(tài)氚氣的響應(yīng)應(yīng)小于15%。

通常情況下，環(huán)境中氚和反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)釋放出的氚主要以氚化水的形態(tài)存在，因而，應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)氚氣流（氚化水蒸氣流）對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氚氣流的制備，目前普遍采用鼓泡法。

1 標(biāo)準(zhǔn)氚氣流發(fā)生器原理

鼓泡法產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氚化水蒸汽，目前世界上使用最多的是R.V.Osborne鼓泡器模型[5]，見(jiàn)圖1。

其原理是：假定鼓泡器飽和系數(shù)為S，分餾系數(shù)為F。

在鼓泡器內(nèi)裝入一定質(zhì)量的氚化水，其起始質(zhì)量為M0（g），起始比活度為C（Bq·g-1），將鼓泡器放入恒溫器內(nèi)恒溫，此時(shí)，鼓出的氣流中氚化水蒸汽密度Yt（g·m-3）恒定，再讓流速不變的干燥空氣通入鼓泡器鼓泡，就可以產(chǎn)生已知比活度的標(biāo)準(zhǔn)氚化水蒸汽。

R.V.Osborne為該模型推導(dǎo)了氚化水蒸汽比活度定量計(jì)算公式，結(jié)果為：

2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)原理

將已知活度濃度的標(biāo)準(zhǔn)氚氣流直接充入與被校儀器相連的回路中，待儀器穩(wěn)定后讀數(shù)，按照（2）式計(jì)算校準(zhǔn)因子：

3 便攜式氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置組成

便攜式氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置用于氚監(jiān)測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。其組成主要包括氚化水鼓泡器、恒溫器、質(zhì)量流量控制器、傳遞儀器、抽氣泵及各種傳感器等，其中傳遞儀器由電離室和小電流測(cè)量?jī)x組成。恒溫器用于恒定鼓泡器中氚水溫度;質(zhì)量流量控制器用于控制鼓入鼓泡器的空氣流速及測(cè)定其總體積;氚氣監(jiān)測(cè)儀為校準(zhǔn)其他氚監(jiān)測(cè)儀時(shí)使用的傳遞儀器;抽氣泵用于系統(tǒng)抽氣，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源;溫度傳感器用于測(cè)量鼓泡器入口處空氣的溫度;壓力傳感器用于測(cè)量鼓泡器入口處空氣的壓力。將所有部件集成為一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)外形尺寸控制在400mm×400mm×600mm之內(nèi)，總重量不超過(guò)15kg。原理框圖見(jiàn)圖2。

3.2 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

鼓泡時(shí)氚水溫度：低于環(huán)境溫度5℃～10℃;

干燥空氣露點(diǎn)：低于-40℃;

氚化水蒸汽活度濃度范圍：102Bq·m-3～107Bq·m-3;

氚化水蒸汽活度濃度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：≤8%;

量程范圍：102Bq·m-3～107Bq·m-3。

3.3 裝置設(shè)計(jì)

3.3.1 非標(biāo)設(shè)備加工主要技術(shù)要求

（1）空氣過(guò)濾器

用于系統(tǒng)進(jìn)氣口空氣的過(guò)濾。過(guò)濾器為圓錐型，材料為不銹鋼和玻璃纖維紙。

（2）空氣干燥器

用于系統(tǒng)進(jìn)氣口空氣的干燥。干燥器為圓柱形且兩頭為螺紋型，材料為有機(jī)玻璃管和鋁，用于與管道連接，干燥劑為變色硅膠和分子篩。

（3）緩沖器

從鼓泡器中鼓出的氚氣流，經(jīng)緩沖器緩沖后，可得到流速穩(wěn)定、均勻的標(biāo)準(zhǔn)氚氣流，緩沖器材料為不銹鋼。

（4）液氮冷凝器

液氮冷凝器用于液氮儲(chǔ)存和氚水回收器冷凝。冷凝器采用液氮生物容器的結(jié)構(gòu)。

（5）鼓泡器

根據(jù)不同材料對(duì)氚的吸附特性以及熱傳導(dǎo)系數(shù)、硬度等物理特性，選用無(wú)氧銅設(shè)計(jì)加工了本系統(tǒng)的鼓泡器，鼓泡器結(jié)構(gòu)為圓柱形，鼓泡端為球形，鼓泡端均勻地布滿了鼓泡孔。

（6）回收器

回收器用于鼓泡后氚水的回收，選用經(jīng)退火處理的玻璃管設(shè)計(jì)加工，易于觀察和清洗。

（7）管道

用于系統(tǒng)各部分的連接。根據(jù)不同材料對(duì)氚的吸附特性和硬度等物理特性，并根據(jù)鼓泡器、回收器以及緩沖器接口的尺寸及連接方式，選用無(wú)氧銅設(shè)計(jì)加工本系統(tǒng)的連接管道。另外由于連接對(duì)象（如玻璃回收器），部分連接選擇了真空橡膠管。

（8）快速接頭

用于系統(tǒng)中鼓泡器與管道的連接，接頭材料為不銹鋼。

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備采購(gòu)主要技術(shù)要求

恒溫器要求顯示分辨率高，溫場(chǎng)穩(wěn)定，升、降溫時(shí)間短。質(zhì)量流量控制器要求計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，連接簡(jiǎn)便，流速范圍為（0～10）L·min-1，適合本系統(tǒng)氣體流量測(cè)試。便攜式氚氣監(jiān)測(cè)儀要求大于上述量程和流速要求，過(guò)濾效率高，可持續(xù)運(yùn)行6小時(shí)以上。抽氣泵要求抽氣速率至少為（0～15）L·min-1，可連續(xù)工作8小時(shí)以上，穩(wěn)定可靠。溫度傳感器要求測(cè)量精度為±（0.10+0.002t）℃，測(cè)量范圍（0～50）℃，可滿足空氣體積修正的溫度測(cè)量精度要求。壓力傳感器要求傳感器誤差極限小于0.05%，絕壓范圍為（0～200）kPa，連接簡(jiǎn)便，適合本系統(tǒng)壓力測(cè)量。

4 生產(chǎn)廠家與調(diào)研結(jié)果

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)幾乎所有生產(chǎn)恒溫器的廠商，以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)為前提，計(jì)劃采用半導(dǎo)體制冷恒溫器，通過(guò)技術(shù)改造滿足系統(tǒng)要求。質(zhì)量流量控制器計(jì)劃采用北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司的D07-19B/ZM型質(zhì)量流量控制器。真空泵采用美國(guó)生產(chǎn)的GAST的MOA-P101-CD型真空泵。壓力傳感器選用廣東省江門(mén)市安泰電子有限公司的US10000高性能不銹鋼壓力變送器。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置的輕便與移動(dòng)性是技術(shù)難點(diǎn)。通過(guò)研制小型化傳遞儀器及采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)對(duì)鼓泡器進(jìn)行恒溫，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置小型化和方便移動(dòng)的目的。該裝置研制中的關(guān)鍵技術(shù)是鼓泡器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)確定，以及氚水定值和解決鼓出氚水的凝露問(wèn)題。鼓出氚水的結(jié)露問(wèn)題可利用溫差解決，控制鼓泡的氚化水溫度比環(huán)境溫度低，這樣，即使鼓出的是飽和氚化水蒸氣，到溫度較高的環(huán)境中后，也會(huì)變成不飽和，就不會(huì)發(fā)生凝露現(xiàn)象。

我國(guó)是核設(shè)施較多的國(guó)家之一，目前，在核電站運(yùn)營(yíng)中使用的氚監(jiān)測(cè)儀有近百臺(tái)，由于這些氚監(jiān)測(cè)儀未經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，已無(wú)法對(duì)放射性工作場(chǎng)所氚的濃度進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，已經(jīng)危害到了工作人員的安全，使用單位已多次提出了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的要求，而且，隨著我國(guó)核事業(yè)的發(fā)展，氚監(jiān)測(cè)儀的使用數(shù)量會(huì)不斷增加，因此，為保證這些氚監(jiān)測(cè)儀測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠，必須對(duì)氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究，并建立統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法，以滿足日益增多的氚監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]IEC 761-5《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.

[2]60761-5 IEC：2002 《Equipmeng for continuous monitoring of radioactivity in gaseous effluents Part5：specific requiremengs for tritium monitors》.

[3]GB7162·5-1987《用于輻射防護(hù)的空氣中氚的測(cè)量和監(jiān)測(cè)設(shè)備》.

[4]GB 7165·5-1988《氚排出流監(jiān)測(cè)儀的特殊要求》.

[5]R·V·Osborne·CONF-730907 ⅤⅡ，pp·1428-1433.