放射性气体定值分装系统研制

龚志林 李美虹

摘要：核电厂正常运行或破损时，不可避免地有放射性物质经流出物排放到环境中或从燃料元件的裂缝中渗透到一回路冷却剂中。当一回路发生泄漏时，放射性的裂变产物就会通过各种途径进入空气中而形成放射性气态分布ｍ。放射性气体容易经人体呼吸进人体内，造成浸没照射伤害。对核电厂相关区域空气放射性进行监测，是维护核电厂安全，保护相关工作人员的重要措施。为应对核电厂放射性泄漏事件，需要配备空气放射性监测设备，跟踪监测核电厂厂房空气放射性水平。本文主要分析放射性气体定值分装系统研制。

关键词：放射性气体；定值分装；活度浓度；性能测试

引言

在反应堆运行过程中，对于放射性气体排放的监测越来越受到关注。这些气体的排放监测是反应堆安全运行监测的重要参数。因此，为了保障相关气体监测装置量值溯源的准确性，需要携带放射性气体源到现场对设备开展溯源，这对放射性气体源的精确定值分装有了更高要求。为了解决放射性气体定值困难、分装安全风险高的问题，本实验室基于内充气正比计数器长短补偿法，研制了一套放射性气体源定值分装系统，对于放射性气体源开展精确定值分装。

1、系统组成及原理

1.1定值原理

放射性气体定值分装系统由放射性气体源、工作气体、真空分装系统和定值系统组成。工作时，先将整个真空分装系统抽真空，然后将放射性气体和工作气体依次充入真空系统进行混合。待气体混合均匀后，打开连接定值系统和真空分装系统的阀门使气体进入探测器的计数器进行活度测量。用内充气正比计数器测量放射性气体活度时，只要知道计数器的灵敏体积以及它含有放射性气体的绝对衰变率，就可以算出分装得到的样品的活度。

1.2系统组成

真空分装系统，真空分装系统与内充气正比计数器连接。该系统采用机械泵和分子泵作为动力源，在气体V1和气体V2处分别安装两个质量流量计，用于控制气体流量；管路安装有真空计，用于测量整个管道内的真空度；在整个管路中心位置安装了温度和压力传感器，温度传感器用来测量管路的温度；气体分装瓶用来分装定值好的放射性气体；真空分装系统内有电控柜控制，其中电控柜包括系统的总电源、温度显示仪表、机械泵及分子泵的开关、分子泵转速显示仪表和质量流量计显示仪。定值系统，定值系统包含内充气正比计数器、二次仪表。充气正比计数器为3根除长度不同以外，其他结构完全相同的计数器。计数器的管材料为铜，计数器厚度为1.65mm。在该厚度下，表面发射率为106s-1的β平面源（90Sr-90Y）可完全被屏蔽。二次仪表采用技术经验成熟的ORTEC产品，包括高压电源、前置放大器、主放大器、单道分析器、产生器及六路计数器。

2、主要性能测试

放射性气体测量，内充气正比计数器坪特性测试真空系统与探测器抽完真空后，将85Kr气体源和工作气体充入内充气正比计数器，然后调整高压，分别记录计数器的高压和计数。3根计数器的坪长为200V、坪斜约为0.7%/100V。零甄别阈值处计数率修正选择阈值0.5V作为工作阈值，需要采用阈值外推法得到阈值为0时内充气正比计数器计数率，从而计算得到阈值外推的修正因子。长、中、短计数器零甄别阈处计数率修正因子分别为1.056、1.116、1.086。壁效应修正位于计数管内壁附近的放射性气体向壁内发射β粒子时，电离概率很小，以至于不能形成足以引起计数的脉冲，这种情况称为壁效应。壁效应随计数气体压力的增加而减小，因此用同一种活度浓度的样品分别在不同压力下测量它们的活度浓度，根据实验结果做出各个样品的活度浓度随1/p变化的关系，并外推到1/p=0处的气体活度浓度。

3、核岛放射性含氢废气处理工艺

3.1设计基础及安全准则

含氢废气处理系统设计参考和符合性的主要标准和规定是:RCC-P《法国900MW压水堆核电厂系统设计和建造规则》；《轻水堆核电厂放射性废气处理系统技术规程》GB 9136-1988；《核动力厂环境辐射防护规定》GB 6249-2011；HAF102核电厂设计安全规程。

3.2含氢废气处理工艺

目前，国家和国际压力水厂处理含氢废气的技术主要是通过分解放射性气体来降低其放射性核素的放射性水平。具体处理方法主要有三种:压力贮、氢氧复合还原处理和室温活性炭延期处理。1.压力存储。压力贮器处理包括收集罐中收集的放射性氢废气，将其收集到缓冲罐中，通过废气处理压缩机加压，然后在分解箱内输送，储存在40至60 d之间。 从而将解体箱中废气的放射性剂量降低到允许的排放值，然后通过工厂通风管道稀释的过滤器排放到大气中。 压力存储工艺的优点是工艺成熟，工艺简单缺点是处理废气的能力较大，操作和维护复杂，氢的存在对高压大容量储罐(解体箱)构成安全风险。2.降低耐氢性和耐氧性的联合处理。减少氢和氧混合容差的技术主要是为了减少含氢废气中的氢含量。氢处理一方面降低了系统所需的气体处理能力，另一方面降低了系统中氢的存在引起燃烧爆炸的风险。在将废气的活动水平降低到规定水平后，再通过延迟处理或压力储存等措施稀释和控制减少的废气。氢和氧结合容量减少技术的优点是减少了管路中气体的总容量缺点是氧气和氢的结合导致氧气消耗量增加，操作更加复杂；由于需要更精确地混合氢和氧，化合物本身就是易燃和爆炸设备，如果氢和氧混合物的浓度得不到适当控制，就更有可能发生燃烧和爆炸等事故。3.常温活性炭的延期处理。在环境温度下处理活性炭的技术具有以下特点:在某些条件下可以选择性地吸附活性炭，从而阻止放射性气体通过活性炭的惰性床时吸附，而其他大量的非放射性气体(氢和氮，第9段)这种技术的优点是，只需处理废气中高放射性气体的痕迹，大量非放射性气体，例如氢和氮，就可以直接通过；并且用活性碳悬浮床代替高压大容量衰减器，使系统更加简单安全，缺点是必须充质优质活性碳，仪表控制精度较高。总之， 常温活性炭处理技术在处理含氢废气方面具有较明显的优势，但由于悬浮床活性炭质量要求较高，而且系统中仪器控制的准确性较高，因此在新的核电厂中的应用仍有待改进 此外，一个新的趋势是综合利用减少能力工艺和另外两种工艺。例如，天湾核电站的氢放射性废气处理系统首先采用氢氧复合法处理废气中的大部分氢，然后采用活性炭延迟处理法处理放射性惰性气体的放射性EPR废气处理系统(第三代)还采用氢氧还原法和活性炭延迟处理法处理放射性废气。从这个角度来看，复合加工过程也将是一种发展趋势。

结束语

本单位研制了一种新的放射性气体定值分装系统，并基于内充气正比计数器长度补偿法的原理对分装得到的放射源气体活度浓度进行定值。综合系统开展的各种试验结果可知，系统真空保持度高，坪长200V，坪斜0.7%/100V，死时间3.53μs。通过对于放射性85Kr气体测量可知，在气压100kPa，工作高压1400V条件下，测得85Kr气体活度浓度值12.5Bq.mL-1,合成标准不确定度为0.85%。后续将通过参与国内比对，为放射性气体活度标准装置的建立打下基础。

参考文献：

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[4]复旦大学,清华大学,北京大学编著.原子核物理实验方法[M].北京:原子能出版社,1996.