微量热计测量低活度氚

何长水，陈细林，杨洪广

中国原子能科学研究院 反应堆工程设计研究所，北京　102413



微量热计测量低活度氚

何长水，陈细林，杨洪广

中国原子能科学研究院 反应堆工程设计研究所，北京102413

摘要：针对国际热核聚变实验堆氚增殖系统(ITER-TBS)中微量氚活度的绝对测量需求，设计研制了微量热计。采用固体含氚样品对微量热计的输出热电势(Eout)-输入热功率(P)进行标定，Eout-P关系式具有很好的线性关系，灵敏度系数达到0.13 V/W。研制的微量热计最低检测限低于0.2 μW，量热杯体积大于500 mL，该性能指标预期可定量测量ITER-TBS系统中各种复杂形态的微量氚活度，具有很好的应用前景。

关键词：微量热计；氚；性能测试

国际热核聚变实验堆(ITER)涉氚系统中，氚的测量是一项重要内容，通过测量可掌握氚的生产、消耗和损失。从放射性剂量防护的角度，也必须要知道氚的去向以及活度大小。

氚的测量有多种方式，主要包括量热计的直接定量测量、电离室或正比计数管对气态氚比活度的测量、气相色谱或拉曼光谱对气态氚化学成分的测量与浓度的测量、液闪法液体氚活度测量等[1]。受氚的存在形态、活度大小等因素的影响，每种测量方法都有自身的局限性。

量热计是最直接的氚活度测量方法，也是一种无损测量氚的重要方法，适合于多种物理形态氚化合物的测量，目前ITER各参与方也都在重点研发氚量热计[2-3]。其中，用于低比活度氚测量的微量热计，在研究锂陶瓷增殖剂氚居留、结构材料氚活度、放射性废物氚含量、氚化水活度等方面具有重要的应用价值。微量热计技术的开发，对聚变堆涉氚系统中氚的计量具有重要的科学意义。本工作拟研制的微量热计，采用真空恒温技术、固体氚源进行测量灵敏度系数标定，以获得线性关系良好的输入输出关系式，该微量热计的研发，将为低活度氚的无损定量分析提供技术支撑。

1测量原理

氚和其它放射性核素一样，通过测量其在一段时间(t)内的衰变能(E)，即可计算出核素的活度(A)[4](式(1))。

(1)

(2)

量热计根据测量关系由四个元素组成：量热室(Tc)、良好确定的热阻、温度传感器(一般给出电压信号Vs)、环境(Te)。当热源(功率P)放在量热室中，量热室温升(dTc/dt)与量热室的热容(C)和由热阻确定的热导(k)之间的关系如式(3)[5]。

(3)

基于等温量热计的测量方法(也称作热流量热计或者稳态量热计)，也就是保持量热计Te不变(或ΔTe=0)，此时的量热计即为等温量热计。对式(3)积分，得到式(4)。

(4)

式中，C/k为时间常数，当t足够大，即t→∞时，得到式(5)。

(5)

选用热电线性关系良好的热电偶来测量热源和冷源之间的温差Tc，∞-Te，热功率P与热电偶的温差电势之间具有线性关系。

2微量热计的结构

2.1总体结构

量热计在设计上主要考虑探测限、样品室体积、测量灵敏度与测量稳定性。与通常的放射性量热计相比，低活度氚测量微量热计的特殊要求是：(1) 探测下限低，要求低于5 μW，即能够测量104Bq量级的氚活度；(2) 较大的量热杯体积，要求大于0.5 L，以适合不同尺寸的测量部件。要实现上述技术指标，微量热计必须满足以下设计原则：(1) 必须采用等温双杯量热单元，以有效地抵消基线信号的干扰；(2) 选择的热电堆要具有较高的热电系数，并且量热杯与热电堆接触良好，尽量减少热量传导的热阻，提高灵敏度系数；(3) 环境温度可控，以降低测量室随环境温度变化产生的热传导或漂移。

设计的微量热计结构示意图示于图1。其结构可分为量热单元和环境温度控制单元两部分。量热单元又包括量热杯及其固定台、热电堆、测量室、信号测量部件等部分。环境温度控制单元主要是指恒温体部分，以及稳定恒温体温度的外围部分。

1——量热杯支架，2——量热杯，3——参比杯，4——热电堆，5——电加热丝，6——真空腔室，7——恒温水箱图1　微量热计结构示意图Fig.1　Structures of micro-calorimeter

2.2量热单元结构

量热单元是微量热计的主体部分，由量热室外壳、量热杯及支架、热电堆等部件组成。

半导体Bi2Te3-Sb2Te3和Bi2Te3-Bi2Se3热电偶由于较高的Seebeck系数(约有200 μV/K)，是目前较灵敏和经济的热电材料。每个热电堆为127对PN结，总热电系数达到29 mV/K。热电堆安装在量热杯与冷源接触良好的活动台上，活动台用于固定量热杯热电堆。量热杯、热电堆和活动台之间采用导热胶粘合，减小热阻。

量热杯是量热计中接收热源的部分。样品的热能通过量热杯产生温升，与恒定冷源进行比较，热电堆根据冷热温度关系给出电势信号，信号大小与量热杯的整体热容有关。铝材质由于其热阻小、比热容大，是量热杯的最佳材料。设计的纯铝量热杯内部尺寸为φ55 mm×220 mm，体积522 mL。量热杯固定台选用纯铝加工，主要用于预先组装量热杯、热电偶、加热电阻丝和控制连接线等在一起，组成量热杯组件。两个量热杯结构完全相同，一个作为测量杯，另一个作为参比杯。

量热杯组件置于量热室内，量热室外壳本身就是一个恒温体，材质为不锈钢。恒温体设计的原则是假设量热杯的温升是恒温体温升的1 000倍，根据量热杯的质量m1就可以确定恒温体质量m2。

2.3环境温度控制单元

针对氚微量热计对环境条件的苛刻要求，为精确稳定恒温体温度在微小范围内波动或者极缓慢漂移，设计采用真空隔热的方式来控制温度。并且真空箱体浸泡在恒温水箱内，以降低真空箱外壁随室温变化产生的热传导、引起的惯性波动或漂移，恒温水箱温度可以控制在±0.5 ℃范围内。微量热计整机放置在具有空调房间内，由空调控制室内温度，湿度保持在60%以内。采用室内空调恒温的条件下，真空室温度可稳定在±0.1 ℃。

2.4测控线路

微量热计的测控线路分为热电势信号测量和电功率输出控制两部分。热电势信号测量主要是指热电堆输出信号直接被数字多功能表测量。电功率测量是指量热杯加热电阻通过专用的数字电源供电，加热功率采用数字多功能表测量。设计测控线路示于图2。

图2　微量热计测控单元示意图Fig.2　Diagram of micro-calorimeter temperature control and measurement unit

3微量热计的标定与性能测试

3.1基线及其稳定性测试

对于低活度氚的量热测量，微量热计的基线稳定性将直接影响氚活度测量结果的准确性。等温双杯量热计在两个量热杯内均没有热源的情况下，两个量热杯的输出电压信号差值即为该量热计的基线值。5次基线测量的数据曲线汇总示于图3。由图3可知，微量热计的基线稳定时间均在7～8 h左右。取基线稳定后第10—15 h的测量平均值作为基线值，结果列入表1。由表1可知，5次测量的基线平均值为(1.341±0.072) μV，多次测量具有较好的重复性与稳定性。

在基线平衡后的5 h内，基线噪声变化示于图4。由图4可知，基线噪声低于0.01 μV。按3倍噪声计算，微量热计的最低可检热电势为0.03 μV，根据固体氚源标定得到的灵敏度系数0.13 V/W计算，微量热计的检测限可达到0.2 μW。

1—5——基线测量1—5图3　微量热计基线测量变化曲线Fig.3　Curves graph of background level

No.基线值/μV11.410±0.00721.239±0.01431.412±0.02241.323±0.05651.319±0.020(1.341±0.072)

注：括号内数据为平均值

3.2热功率输入-热电势输出线性关系的标定

电功率标定是量热计最常用的灵敏度系数测量方法，该方法的优点是快速简便，但由于可能存在热损等因素，电功率标定得到的灵敏度系数往往与实际β源标定得到的灵敏度系数可能不一致。因此，氚微量热计直接采用氚源标定。固体氚标样采用吸氚Zr合金来制备，由PVT法计算每个样品的吸氚量。测量的9个氚活度标样对应的净输出热电势列入表2。由表2可知，每次测量净输出热电势达到平衡的时间为7～8 h，与基线平衡时间一致，取净输出热电势平衡后第10—15 h内的平均值作为该氚标样的输出热电势值。

图4　微量热计基线噪声曲线Fig.4　Curve graph of background level noise

样品编号PVT法计算值吸氚量(已扣除衰变)/Bq衰变热功率/μW净输出热电势/μVZrTx33.3×101029.965.10ZrTx11.1×101194.8313.65ZrTx1+ZrTx31.4×1011124.5917.15ZrTx21.7×1011151.1221.28ZrTx2+ZrTx32.0×1011180.7725.42ZrTx42.5×1011221.8330.58ZrTx3+ZrTx42.8×1011251.5534.22ZrTx1+ZrTx43.5×1011316.4342.31ZrTx2+ZrTx44.1×1011372.6249.92

图5　微量热计Eout-P线性关系Fig.5　Linear relation of Eout-P

由净输出热电势(Eout)-氚衰变热功率(P)进行线性拟合，结果示于图5。由图5可得到Eout-P线性关系式：

Eout=0.130 6P+1.323 6

(6)

由此可得出微量热计的测量灵敏度系数为0.13 V/W。

图6　微量热计A-Eout线性关系Fig.6　Linear relation of A-Eout

由氚活度(A)-净输出热电势进行线性拟合，结果示于图6。由图6得到A-Eout线性关系式：

A=8.393×109Eout-7.569×109

(7)

r2=0.999 4，该关系式可作为该微量热计氚测量活度计算的标准公式。

3.3241Am标准β源活度验证测量

采用已知活度的β核素标准源，由微量热计测量其衰变热功率，并根据固体氚标样标定的Eout-P线性关系式计算其β衰变热功率与放射性活度，验证固体氚标样标定的Eout-P线性关系式的准确性。

标准β源为241Am源，4π电离室测量其活度值为3.54×107Bq，不确定度为2%。微量热计测量该241Am源净输出热电势变化曲线示于图7。由图7可知，约7 h热电势变化达到平衡。在10～15 h内的净输出热电势平均值为(5.46±0.03) μV，按微量热计氚标定得出的Eout-P线性关系式计算，该241Am源的衰变热功率为31.74 μW。241Am源的β衰变热为9.02×10-7μW/Bq，因此，可得到活度为3.52×107Bq。与4π电离室测量值相比，二者偏差为0.73%，验证了微量热计具有较好的测量准确性。

图7　241Am源净输出热电势变化曲线Fig.7　Eout curve graph of 241Am

3.4辐照锂陶瓷氚居留量的测量

采用辐照后的锂陶瓷氚增殖剂，用微量热计测量其氚居留量，验证微量热计对不同固体材料氚活度测量应用的可行性。锂陶瓷材料为LiAlO2，在反应堆内经中子辐照。液闪法测量得出的陶瓷固体平均氚居留量为(6.01×1011) Bq/g。

三个不同质量辐照LiAlO2样品的微量热计测量结果列入表3。由表3可知，计算得到辐照LiAlO2陶瓷的平均氚居留量为5.37×1011Bq/g，与液闪法测量得到的平均氚居留量相比，相差10.7%。分析其原因，一是液闪法氚活度测量本身就具有较大的误差，二是LiAlO2陶瓷个体之间由于密度、孔隙率等特性的差异，其氚居留量也不完全相同。由此可见，采用微量热计测量辐照锂陶瓷的氚居留量可行。

表3　微量热计测量辐照LiAlO2陶瓷氚居留量的结果

注：(1) 按固体氚源标定的A-Eout线性关系式计算的氚活度

(2) 辐照LiAlO2陶瓷的平均氚居留量

4结论

通过半导体热电偶的合理选型、量热杯结构优化设计、热源和冷源的结合处理、真空恒温等一系列措施，解决了微量热计热控制关键技术，基线噪声低于0.01 μV，探测限达到0.2 μW。通过基线测量、固体氚源标定，获得了微量热计输出热电势与输入热功率之间的关系式，r2=0.999 6，标定的灵敏度系数为0.13 V/W。采用标准β源和辐照后的锂陶瓷氚增殖剂，验证了微量热计的测量准确性。低活度氚微量热计的成功研制，可为ITER涉氚系统的氚分析研究提供技术支撑。

参考文献：

[1]Nishi M, Yamanishi T, Hayashi T. Study on tritium accountancy in fusion DEMO plant at JAERI[J]. Fusion Eng Des, 2006, 81: 745-751.

[2]Lässer R, Caldwell-Nichols C. Analytic of tritium-containing gaseous species at the Tritium Laboratory Karlsruh[J]. Fusion Eng Des, 2001, 58-59: 411-415.

[3]Matsuyama M. Absolute measurement of tritium by high-sensitivity calorimeter (1) construction of calorimetric system and its performance tests[M]∥Annual Report of Hydrogen Isotope Research Center. Toyama: Toyama University, 2005, 25: 71-83.

[4]刘红明，贾伟江，张延生，等.低能β核素微量热计研制[J].原子能科学技术，2008，42(3)：258-261.

[5]李玮，陈细林，袁大庆，等.低能β活度微量热计性能研究[J].原子能科学技术，2008，42(2)：107-111.

收稿日期：2015-10-10；

修订日期：2015-11-29

作者简介：何长水(1976—)，男，河北廊坊人，副研究员，核材料专业

中图分类号：TL84

文献标志码：A

文章编号：0253-9950(2016)01-0047-05

doi：10.7538/hhx.2016.38.01.0047

Absolute Measurement of Micro-Calorimeter for Low Activity Tritium

HE Chang-shui, CHEN Xi-lin, YANG Hong-guang

China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275(55), Beijing 102413, China

Abstract:For the absolute measurement requirement of trace tritium activity in ITER-TBS system, a micro-calorimeter was designed. The solid tritiated samples were used to demarcate the output thermal potential(Eout) and the input thermal power(P). The results show a good linear relationship between Eoutand P, and the sensitivity coefficient reaching 0.13 V/W. The minimum detection limit of micro thermal meter is below 0.2 μW, and the calorimetric cup volume is more than 500 mL. The performance is expected to have a good application prospect for quantitative measurement of the trace tritium activity under various complicated situation in ITER-TBS system.

Key words:micro-calorimeter; tritium; performance test