优化电解条件提升质子交换膜电解水中氚的实时检测效率

在核电站退役过程中，保障公共安全的关键在于实时监测水下氚（³H）的释放。目前，液体闪烁计数器（LSC）是水中氚检测的主流技术，虽检测效率高，但存在最低检测限（MDA）相对较低、预处理和测量时间长、设备笨重难以移动等缺点，难以满足退役现场实时水下氚监测的需求。

为克服LSC的局限性，研究人员探索了基于质子交换膜（PEM）电解技术的替代方案。该技术利用铱或铂等催化剂，通过电解将水中的氚转化为气态氚化氢（HT）。产生的HT气体可通过气体比例计数器或新型探测器进行实时检测。以往研究侧重于优化PEM电解效率​（尤其是催化剂选择），但对于电解前后水中氚活度变化的直接对比，及其与电解条件（如电流）的定量关系研究相对缺乏。

电解原理与活性变化关联研究

图1：PEM电池电解原理示意图

在PEM电池阳极，水分子（H₂O）发生氧化反应失去电子，生成氢离子（H⁺）和氧气（O₂）。氢离子通过质子交换膜迁移至阴极，电子则通过外电路传输。在阴极，氢离子结合电子生成氢气（H₂）。当水中含有氚时，电解过程同样会产生气态氚化氢（HT）。

图2 气态氚探测原理图

Kang等人[1]的开创性工作弥补了这一空白。他们采用LSC精确测量了PEM电解前后氚化水活度变化（ΔA）​，并将其与PEM供电电流变化进行了关联分析，成功量化了电解产生的气态HT量。更重要的是，他们通过系统改变电流参数，明确了能最大化生成气态HT的最优电解电流。

新型探测部件与性能验证

本研究在Kang工作的基础上，构建了一套完整的实时检测系统（如图2所示），核心包括：

1.电解模块：采用优化电流的PEM电池处理氚化水样品。

2.气体处理模块：将电解产生的HT和H₂气体有效分离并传输（水蒸气被疏水阀阻隔）。

3.新型探测部件：基于塑料闪烁体和光电倍增管（PMT）​ 开发的核心探测器，用于捕获HT衰变信号。

4.​校准与活度测定：使用经标定的气态氚监测仪提供HT活度浓度的基准值（因PMT仅输出计数率）。

图3 电解系统组成

实验流程严谨：

• 首先电解蒸馏水，测定系统本底计数率。
• 使用7份活度浓度相同的氚化水样品，在不同电流条件下进行电解实验（固定时长45分钟）。
• 产生的HT/H₂混合气体被导入新型探测部件，同时用气态氚监测仪记录实际活度。

结果分析与应用前景

通过对电解前后水中氚活度变化（ΔA）​ 这一关键参数的表征，并结合电流变化，有效优化了PEM电解产氚性能。最终确定了能最大化ΔA的最佳工作电流。

本研究重点评估了基于塑料闪烁体和PMT的新型探测部件的性能：

• ​探测效率：通过对比探测部件计数率与气态氚监测仪测得的活度，计算得出探测效率，结果显示其媲美商用LSC的水平。
• ​最低检测限（MDA）​：在最佳电流和系统本底下计算得出MDA，为评估现场检测灵敏度提供依据。
• ​预处理时间：相较于LSC复杂的样品制备，此方法预处理时间极短，显著提升了时效性。

结论与展望：​

本工作成功验证了优化PEM电解电流对于提升气态HT产率的关键作用，并证实了基于塑料闪烁体/PMT的新型探测部件在气态氚实时检测中具有高效率和低MDA的潜力，其快速预处理特性尤其适合核电站退役现场的水下氚实时监测需求。未来研究可在更宽范围的氚活度浓度​（尤其是极低浓度）下进一步验证系统性能，并探索利用电流变化率与ΔA变化率的比值等动态参数更精确地锁定最优电解条件。此技术路线为开发轻便、快速、高灵敏的实时水下氚监测装置奠定了坚实基础。

参考文献：1.Kang, K.;  Bae, J. W.; Kim, H. R., Detection of tritium generated by proton exchange membrane electrolysis by optimization of electrolysis conditions. J. Radioanal. Nucl. Chem. 2019, 322 （3）, 1417-1421.

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