氚气流发生器系统同位素分馏系数实验研究

洪永侠

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610005）

【摘　要】简述了同位素分馏系数的测定原理及方法、同位素分馏系数测定的条件实验、给出了不同条件下分馏系数的测量结果，包括温度与同位素分馏系数的关系和氚水活度浓度与分馏系数的关系，并对其测量结果的不确定度进行了评定。

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关键词 氚气流发生器；同位素分馏系数；不确定度

0　引言

为了解决国内气载氚监测仪的量值溯源问题，研制了氚气流发生器装置，可产生活度浓度恒定的氚气流，同位素分馏系数是计算氚气流活度浓度的重要参数之一，目前，对于氚气流发生器系统氚同位素分馏系数国内还未有文献报道，国外虽有文献报道，但各个报道结果差异较大，因此必须对不同鼓泡条件下的同位素分馏系数进行准确测定。

用鼓泡法原理研制的氚化水蒸气发生器系统，其同位素分馏系数的大小可能与鼓泡时的温度以及鼓泡时系统内气体的流速有关。为此，分别测定了不同条件下系统的同位素分馏系数。

1　原理及方法

鼓泡器内事先装入浓度为的氚化水，鼓泡器的饱和系数为S，同位素分馏系数为F，鼓入气流为干燥气流，单位体积空气中的饱和含水量为Yt，鼓泡器内氚化水的瞬时浓度为C水Bq.g-1，经过鼓泡器的空气体积为V气时，鼓出气流中的氚化水浓度C气为：

（1）式是用鼓泡法制备氚水化水蒸气的基本公式。实际上总小于1，将（1）式级数展开，取前两项可以得到：

第二项即为同位素分馏效应引起的修正项。若F=1，修正项为0。在较大，而V气不大的时候，通常可以忽略二次项的影响,（２）式简化为：

2　实验装置

该系统包括空气过滤器、空气干燥器、质量流量控制器、温度和压力传感器、恒温器和鼓泡器、回收器和冷凝器、真空泵等。实验时将已知浓度的氚水注入鼓泡器内，将鼓泡器连接在系统上并放入恒温器内，同时将玻璃回收器连接到系统并放入液氮冷凝器中，进行氚化水蒸气的回收。

3　同位素分馏系数实验研究

3.1　条件实验

3.1.1　回收效率

回收效率表征系统对实验过程中产生氚化水蒸气的回收能力，是测定系统同位素分馏系数前必须测定的一个重要参数。回收器回收到水的质量M1通过称量鼓泡前后回收器的质量得到，鼓泡器鼓泡时失去水的质量M2可以通过称量鼓泡器鼓泡前后的质量得到， M1与M2之比即为系统的回收效率。系统回收效率结果见表1。

从表1看出，系统的回收效率可达99.9%，满足对氚水的回收要求。

3.1.2　饱和系数

饱和系数主要由鼓泡器的结构决定，它反映了鼓泡器产生标准氚化水蒸汽的饱和程度，如果氚化水不饱和，则造成分馏系数不稳定。饱和系数为鼓泡时鼓泡器失去水的质量与鼓泡器内鼓入空气应带走的水的质量（按相对湿度为100%计算）的比值。鼓泡器鼓泡时失去水的质量W1可以通过称量鼓泡器鼓泡前后的质量得到，鼓泡器内鼓入空气应带走的水的质量W2可由鼓入鼓泡器内的空气体积经计算得到，由W1与W2之比就可得到饱和系数，结果见表2。

从表2看出，对于实验用的鼓泡器，在抽气流速小于1.0L·min-1 时其饱和系数接近于1，即该条件下可产生饱和氚化水蒸气。

3.2　同位素分馏系数

３.2.1　分馏系数与鼓泡温度的关系

选择活度浓度为1×103Bq·g-1的氚水进行实验，在流速为0.5L·min-1时分别测定了鼓泡温度为5℃、10℃、15℃时系统的同位素分馏系数分别为0.848，0.852和0.855。可以看出，分馏系数随着鼓泡温度的升高而略微增加，说明鼓泡温度越高，同位素分馏系数越大。

3.2.2　分馏系数与系统气体流速的关系

当温度为10℃且鼓泡用氚水的活度浓度一定时，改变鼓泡时气体的流速，得到系统的同位素分馏系数均为0.850，同位素分馏系数随着鼓泡时流速的变化并未呈现出任何规律，所以认为一定范围内（氚气流饱和条件下），流速对分馏系数影响可以忽略。

4　不确定度评定

本次工作测得氚气流发生器系统同位素分馏系数结果的不确定度来源及评定见表3。

从表3中可以看出，氚同位素分馏系数的合成不确定度为1.6%，实验结果稳定可靠，可用于氚气流活度浓度的计算。

5　结束语

对可能影响氚气流发生器系统同位素分馏系数的因素进行了研究，采用冷冻法实验测定条件下系统的同位素分馏系数，并对其结果的不确定度做出了评定，实验结果稳定可靠，在国内属于首次。该结果可直接用来计算氚气流发生器系统产生的标准氚化水蒸汽的活度浓度，对于实现氚气监测仪的校准具有重要意义。

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参考文献

［１］周律,编.环境工程学[M].中国环境科学出版社.

［２］赵亚民.氚化水蒸气的鼓泡法制备和鼓泡法取样的研究[J].辐射防护,1980(6).

［3］R.V.Osborne, AECL-5378[Z].

［责任编辑：汤静］