铀丰度在线分析仪在铀浓缩工厂的应用研究

任 宁，李世豪

（中核陕西铀浓缩有限公司，陕西汉中 723000）

0 引言

铀丰度在线分析仪是一种专门用于铀离心浓缩厂精料（产品端）和贫料（尾料端）铀丰度在线实时监测的装置。传统的丰度测量采用的是质谱计，其测量精度高，但是操作复杂，维护昂贵，分析周期也较长（一般需要2 h），不能实现丰度的在线测量，同时此设备为进口设备，成本较高。铀丰度在线分析仪由于可以实现235U 丰度在线测量，测量方便，总结分析铀丰度在线分析仪在铀浓缩工厂的应用情况，为铀丰度在线分析仪在铀浓缩工厂的大范围应用提供参考。

1 铀丰度在线分析仪变压测本底原理

在线分析仪正常运行时，UF6工艺气体流经测量容器，会与测量容器发生化学吸附和物理吸附，从而沉积在容器的内表面，通过对级联某些部位的拆解，可以看到大量的固体粉末沉积。这些固体粉末沉积在测量容器内，固体粉末中的235U 也会发射特征酌射线，会对测量得到的235U 特征酌射线产生影响，这就形成了铀丰度在线分析仪的测量本底。

随着铀在线丰度分析仪的运行，固态粉末越来越多，本底值对测量结果的影响越来越大，所以需定时对容器的本底进行测量。考虑到本底的影响，可得式（1）：

式（1）中，E 为UF6气体的丰度，k 为刻度系数，S 为 酌 射线计数率，SB为在线丰度分析仪的本底，T 为经传感器测量的容器的温度和压力。由式（1）可得式（2）：

当E 一定，K 和T 值不变，通过改变测量容器的压力P，可得到一组S 和P 值，经过拟合可以得到SB值。变压测本底就是利用此原理来定期消除本底对测量数据的影响。

2 铀丰度在线分析仪在铀浓缩工厂的应用情况

2.1 铀丰度在线分析仪刻度试验

由于刻度对丰度仪的测量精度有较大的影响，为了寻找相关规律，进行相关试验。对在线分析仪的刻度采取4 种方法：每个工作日刻度；每周一、三、五刻度；每周一刻度；每15天刻度一次。正常运行时补压机后压力比较稳定（约30～50乇），铀丰度在线分析仪从补压机后引压，工作气体经过分析仪后回流至补压机入口。实验表明：刻度周期越短，测量误差越低。前三种刻度方法，铀丰度在线分析仪工作良好，测量数据准确率较高，满足铀浓缩工厂对于丰度监测的需要。每个工作日刻度一次，分析仪测量的数据标准偏差为0.0072%，铀丰度在线分析仪与质谱计的测量曲线对比如图3 所示，4 种刻度周期下的实验数据见表1。

可以看出，前3 种刻度周期下，测量数据的标准偏差都在1%以内，每15 天刻度1 次，标准偏差较大。通过与质谱计的累积丰度对比发现，前3 种刻度周期，两者丰度累计偏差均在0.005%以内，每15 天刻度1 次丰度偏差较大。所以，每周刻度1次可以满足铀浓缩工厂对于产品丰度控制的需要。

表1 不同刻度周期铀在线丰度仪测量数据

2.2 低压下铀在线丰度仪测量数据

由于工艺系统工况的调整，补压机出口压力降低（低于10乇后），铀丰度在线分析仪测量曲线如图1 所示。

可以看出，当取压点压力较低（低压下），铀丰度在线分析仪的测量数据有较大幅度的变化，向丰度增加的方向漂移，刻度后测量结果同质谱计测量相当，但一段时间后又开始向上漂移。测量容器压力较低，导致在线分析仪得出的平均净计数率较低（约为130），从而使测量结果较分散，虽然刻度能使其测量结果有所好转，但持续时间较短，之后丰度数据波动较大可达依0.2。

原因分析：测量容器压力低，导致测量容器内物料较少，产生的特征谱线较弱，净计数率较低，容易受固态沉积物、气体中的氟化氢等的影响，所以测量结果偏差较大，无法满足铀浓缩工厂丰度在线监测的需求。

2.3 精料净化对于在线丰度仪测量数据的影响

在试验过程中发现，当铀在线丰度仪取压点压力较低时，铀丰度在线分析仪的测量曲线有明显的锯齿状，经过比对发现，锯齿的顶峰出现在精料净化后，锯齿的低谷出现在精料净化前。精料净化对丰度仪测量数据的影响见图2。

数据分析：可以看出在线丰度仪的测量数据波动较大，可见明显的锯齿状。这是轻杂质在丰度仪入口的累积作用导致的。在低压下，测量容器的压力由UF6和轻杂质分压两部分组成，净化前测量容器内杂质气体分压较高，测量数据偏低；净化后轻杂质较少，杂质气体分压少，测量容器压力较低，测量值较高。净化结束后，随着轻杂质的累积，测量数据缓慢降低，以此形成锯齿状。可见在低压下，轻杂质的累积作用对于丰度仪的测量数据有较大的影响，即精料容器净化方式对丰度仪的测量数据有较大的影响。

导致低压下铀丰度在线分析仪测量数据偏差较大的原因可总结为：测量容器压力较低时，无法定时进行变压测本底，本底的变化只能通过刻度进行消除；测量容器压力较低时，容器压力受精料净化的影响较大，呈现锯齿状；测量容器压力较低时，在线分析仪监测到的235U 的计数率较低，一般约（100～300 count/S）,SB与S 的比值较大，正常情况下，当测量容器压力达到40 乇以上时，计数率可达到1000以上。

2.4 高压下铀在线丰度仪测量数据

图3 为高压下丰度仪与质谱计测量曲线对比图，可以看出，刻度时间对于丰度仪的测量精度影响较大，丰度仪经过刻度后，测量数据可以和质谱计数据相吻合，一段时间后，质谱计测量数据开始向上漂移。铀丰度在线分析仪的测量精度与刻度间隔紧密相关。

图1 低压下丰度仪测量数据曲线

图2 精料净化对丰度仪测量数据的影响

图3 高压下丰度仪测量数据曲线

3 结束语

通过在线丰度分析仪在铀浓缩工厂的应用，主要可得到以下结论。

（1）刻度对于丰度仪的测量结果有较大的影响。如不定期刻度，测量数据会不断升高，本底升高的原因主要为固态铀化合物的沉积所致。若今后采取有效的过滤措施，将固体铀化合物过滤，从而提高丰度仪测量精度，以期解决测量数据本底不断升高的问题。

（2）丰度仪的测量数据与精料净化有较大关系，杂质气体的周期性累积使得丰度仪测量曲线出现锯齿形。若对精料净化方式进行优化，可减少对测量的影响。

（3）在线丰度仪取压点压力较高时，定期刻度已可满足丰度在线监测的要求；当取压点压力较低时，测量结果波动较大，不能满足丰度监测的需求，预期在丰度仪入口加装一套加压泵提高取样压力至50 乇左右，可提高在线丰度仪的测量精度。