一种新型的氚污染表面去污材料

　　摘 要：氚的扩散性、渗透性和再现性都很强，为减少作业人员去污时产生的电离辐射危害，本文提出了一种新型的氚污染表面去污薄膜材料。该材料由屏蔽材料、吸附材料组成。该材料适用于表面污染为104到108Bq/m2范围的任何材料表面，由于该材料质地柔软，使用该材料可以直接覆盖在待去污表面，进而可以减少操作人员的接触时间，降低电离辐射危害，提高氚污染表面的去污效果。
　　关键词：氚；去污；材料
　　氚（tritium），又名超重氢，是元素氢唯一的放射性同位素，也是最轻的放射性核素，存在于所有含氢的物质中。氚主要有天然来源与人工来源。重水反应堆是最主要的产氚源；随着聚变能的研究和开发，氚的人工产量将不断增加。除作为核燃料，用于军事目的和受控核聚变反应外，氚还作为β辐射源和示踪剂在工农业生产、生物医学、水文地质、科学研究等领域也有广泛的应用。
　　氚的污染特性有以下3个特点：
　　（1）与同位素交换快。凡是含氢的物质同它接触时全可发生同位素交换而很快受到污染。氚的亲合力和吸附能力都很强，氚对不同材料的亲合力不同。
　　（2）很强的渗透能力。氚不但可以吸附在与它接触的材料上，而且能够渗透进入其中。
　　（3）“转移性”，即沾污的“再现性”。被严重污染的设备和工具，当擦洗干净后不久又会重新沾污。
　　由于氚的扩散性、渗透性和吸附能力都很强，所以容易通过渗入、吸入和食入途径进入体内。不论是重水堆核电站的稳定运行，氚污染设施的退役，含氚废物的处理处置，还是氚的应用，都对氚的去污、防护提出更高的要求。
　　1. 研究背景
　　1.1 氚的3个特征化学反应
　　氚的3个特征化学反应为溶解反应，交换反应，辐照分解反应。
　　1.1.1 氚污染表面理想化模型
　　在自然环境中，氢的3种同位素（不考虑形式，H，D，T）在自然界中共存，相互平衡。同时假定氚污染待去污表面物体上覆盖有一系列单分子水蒸气层；最外层的水蒸气非常松散；中间的水蒸气依次由松散到紧密排列。如图1所示为氚污染表面理想化模型。
　　1.1.2 溶解反应
　　氢元素（不考虑形式，H2，D2，T2和所有的混合物），在某种程度上可以溶解到任何物质中，氢原子或氢分子、类氢原子、类氢双原子、体积更大的类氢分子以添隙的方式溶解（溶解在被氚污染的金属材料晶型结构中，定位于被氚污染的材质内部结构的点阵间）。
　　若不考虑氚化合物参与反应，溶解反应都有HTO（氚化水蒸汽）组分产生。
　　1.1.3 交换反应
　　氚的交换反应主要受同位素效应的影响，该交换反应能够以较快的速度发生。由于氚的放射性衰变产生一定的能量，受此影响，使交换反应进一步加强。就氚而言，交换反应在几秒到几小时达到平衡。
　　1.1.4 辐照分解反应
　　氚的辐照分解反应大多发生在被氚污染表面上方的空气和被氚污染的表面之间的界面上。这些反应具体表现为：氚衰变能将被氚污染表面上方的氮和氧的化合物转变为一般的氮的氧化物（NO，N2O，NO2）。而被氚污染表面简单的氧化物将转变为更复杂的氧化物（如硝酸盐，亚硝酸盐，NO2S，NO3S），更大百分比的硝酸盐和亚硝酸盐吸收到和/或溶解于表面水蒸气的单分子层中。辐照分解驱动的反应将最终导致在多数被氚污染的表面产生氚化的亚硝酸和硝酸。这些氚化的亚硝酸与硝酸将分解为溶解在表面水蒸气的含氚氨化物等物质。
　　1.2 去污方法选择
　　根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB18871-2002）的要求，控制区设备、工作台的表面污染控制水平要求低于40Bq/m2；同时监督区设备、工作台的表面污染控制水平要求低于4Bq/m2。为满足相关标准要求，目前采用的材料表面氚污染去污方法主要有擦拭去污、化学去污（可剥离膜、泡沫），辉光放电去污，激光去污，臭氧氧化去污，以及使用超吸附聚合体固化剂去污等方法等。而使用擦拭法、化学去污法等方法去污会增加操作人员接受电离辐射的风险，辉光放电，激光，臭氧氧化等去污方法暂时还无法实现在线去污，只能实现离线去污。
　　当氚浓度梯度较小和/或材料与氚接触时间较短，此时氚仅影响待去污材料外部的松散单分子水层，即此时表面污染水平属于非常低的水平（低于103Bq/m2）。可以通过简单的物理擦拭就可移除材料的氚表面污染，实现去污。当氚浓度梯度相对较大和/或与氚接触时间较长时，中间层受到影响。此时表面污染水平的范围较大（如104到108Bq/m2）。此时用擦拭法等机械方法去污相对较难，需要选择另外的去污方法。
　　本文介绍一种新型的氚污染表面去污材料，使用时仅需直接使其覆盖在待去污表面，一定时间后移除，即可达到去污目的。
　　2. 氚污染表面去污材料设计
　　2.1 氚污染表面去污材料的设计基本原理
　　由于氚的3个特征化学反应为溶解反应，交换反应，辐照分解反应，与其他放射性核素污染不同，在氚污染待去污材料表面实际堆积有氚的各种化合物。因而增加氚表面污染材料去污的难度，出现难以使用擦拭等机械方法去污的情形，并出现沾污的“再现性”。本文提出的氚污染表面去污材料的去污原理是利用吸附材料的吸附作用将待去污表面的氚化合物吸附、固定在吸附材料中，并使用屏蔽材料将氚阻止在屏蔽材料内。氚污染表面去污材料的结构如图2所示。氚污染表面去污材料主要由吸附材料、屏蔽材料等组成。
　　吸附材料的主要作用是对氚有较强的吸附能力，并具有一定的耐高温、防酸碱的功能。该材料由硅胶、黄原胶等材料组成。可采用凝胶，也可采用颗粒形态；当采用颗粒形态时，需使用膜状带孔固定材料将颗粒吸附材料与屏蔽材料热压粘合固定。
　　屏蔽材料主要由聚偏二氯乙烯和/或金属氧化物等防氚性能较好的薄膜材料组成，主要作用是形成屏蔽层，阻止氚的扩散，减少作业人员电离辐射的危害。 2.2 氚污染表面去污材料使用方法
　　将氚污染表面去污材料直接覆盖在待去污表面上，一定时间后将去污材料移除即可。使用氚污染表面去污材进行去污时，不使用化学试剂，不利用人工擦拭，在待去污表面形成屏蔽层，可以减少操作人员与污染源的接触时间，减少电离辐射危害。
　　2.3 氚污染表面去污材料主要设计性能指标
　　氚污染表面去污材料重量：≤500 g/m2。
　　当测试温度（25±2） ，相对湿度65%时，氚污染表面去污材料去污因子：≥1000，氚污染表面去污材料阻止氚穿透时间：>24h，氚污染表面去污材料氚气渗透结语
　　本文提出了一种新型的氚污染表面去污材料，由吸附材料和屏蔽材料组成，采用氚吸附性能较好的材料作为吸附材料，采用阻氚性能较好的材料作为屏蔽材料。使用该材料进行氚污染表面去污，可以改变传统的氚表面去污方法，提高氚表面污染的去除效果，尽可能地杜绝氚污染表面的再现性，减少重复去污的次数，降低操作人员接触时间，减少氚的辐射危害。
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