含釓UO2芯塊和粉末中鈾同位素豐度的熱電離質(zhì)譜法測(cè)定

陳道軍 張建生

摘 要：釓作為一種中子毒物，常被添加在高燃耗核燃料元件中，釓的存在會(huì)影響鈾同位素的測(cè)定，而且會(huì)沾污分析管道。該實(shí)驗(yàn)通過大量的條件實(shí)驗(yàn)，對(duì)鈾和釓的分離酸度、淋洗體積、淋洗酸度、淋洗速度、電離帶溫度等一系列條件進(jìn)行了優(yōu)化，建立了一種快速、準(zhǔn)確分析含釓鈾同位素的分析方法。實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩個(gè)水平的樣品進(jìn)行了比對(duì)，當(dāng)235U/238U的值約為0.01時(shí)，重復(fù)性和再現(xiàn)性分別為0.000 024和0.000 052，當(dāng)235U/238U的值約為0.026時(shí)，重復(fù)性和再現(xiàn)性分別為0.000 025和0.00 020。

關(guān)鍵詞：同位素 核能 釓 質(zhì)譜分析法

中圖分類號(hào)：TL2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（b）-0202-03

在含釓鈾同位素富集度分析過程中，雖然釓不會(huì)對(duì)鈾同位素的測(cè)量形成疊加峰的干擾，但在單位體積內(nèi)過多的釓離子會(huì)與鈾離子互相排斥，形成空間電荷效應(yīng)，影響鈾同位素的測(cè)定，而且會(huì)沾污分析管道。

關(guān)于鈾與釓分離方法，從調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看，一般采用萃取法、沉淀法及強(qiáng)堿性陰離子交換法等分離鈾與釓。該實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)堿性陰離子交換法將鈾與釓分離。

本法采用在8 mol/L HNO3介質(zhì)中，將樣品溶液通過717型陰離子交換樹脂進(jìn)行鈾與釓分離，鈾吸附在樹脂上，釓隨著溶液流出，然后用0.1 mol/L HNO3將鈾洗滌下來(lái)置于坩堝中，蒸干，加入適量0.75 mol/L HNO3配制成含鈾2 g/L的硝酸鈾酰溶液，用微量取樣器將約1μL硝酸鈾酰試液涂在質(zhì)譜儀錸樣品帶上。在分析條件下，從樣品帶上蒸發(fā)的鈾氧化物分子碰到灼熱的錸電離帶表面電離成鈾離子，鈾離子經(jīng)離子源加速、聚焦，在分析器磁場(chǎng)作用下按質(zhì)荷比分離，然后離子按質(zhì)量色散進(jìn)入法拉第接收器進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)接收到的各同位素的離子流強(qiáng)度計(jì)算鈾同位素豐度，并用相近豐度的鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同條件下測(cè)得的校正因子校準(zhǔn)。方法簡(jiǎn)單快速，準(zhǔn)確性及重復(fù)性好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和設(shè)備

MAT262型熱表面電離同位素質(zhì)譜儀；OPTIMA3300 DV型光譜儀；電位滴定儀；電子天平，分度值為0.1 mg；離子交換柱。

1.2 試劑和材料

硝酸（HNO3），ρ（HNO3）約1.42 g/cm3；717型陰離子交換樹脂；Gd2O3，純度為99.99%；移液管：10 mL，0.5 mL，0.25 mL；容量瓶：50 mL，250 mL；燒杯：50 mL，100 mL；UO2粉末。

1.3 試液的制備

稱取UO2粉末1.2331 g，加入硝酸5 mL溶解并蒸干，再加入50 mL 8 mol/L硝酸（Gd濃度為1.7 g/L，U濃度為20 g/L）。

1.4 鈾和釓分離酸度選定

處理好四根離子交換柱，用5個(gè)樹脂床體積的試劑淋洗樹脂，控制流速為1 mL/min，配制好10 mol/L、8 mol/L、6 mol/L和4 mol/L四種硝酸溶液，分別取0.25 mL（含釓約428 μg，含鈾約5000 μg）試液上柱，再分別用4 mL 10 mol/L、8 mol/L、6 mol/L和4 mol/L的硝酸溶液淋洗，測(cè)定含釓量，試驗(yàn)表明采用8 mol/L硝酸溶液淋洗陰離子交換樹脂時(shí)95%以上的釓已被分離掉。

1.5 淋洗速度實(shí)驗(yàn)

1.5.1 釓的淋洗速度確定

處理好二根離子交換柱，調(diào)節(jié)流速分別為0.5 mL/min和1 mL/min，分別移取0.25 mL試液上柱，然后用8 mol/L硝酸淋洗，流出液以1 mL為單位收集，測(cè)定含釓量，結(jié)果（見圖1）。用4 mL8 mol/L硝酸溶液分別以0.5 mL/min和1 mL/min淋洗時(shí)，95%以上的釓已被分離掉。

1.5.2 鈾的淋洗速度確定

將分離掉釓的兩根交換柱作鈾的淋洗速度試驗(yàn)，用0.1 mol/L硝酸溶液作淋洗劑，流出液以2 mL為單位收集于坩堝中，并測(cè)量含鈾量（表1）。用6 mL硝酸溶液以0.5 mL/min和1 mL/min淋洗時(shí)，兩個(gè)速度的淋出量基本一致，90%的鈾能被收集。

1.6 鈾淋洗酸度實(shí)驗(yàn)

選取6種酸度進(jìn)行淋洗試驗(yàn)，處理好六根離子交換柱，控制流速為1 mL/min，分六次分別取0.25 mL試液上柱，用4 mL8 mol/L硝酸溶液淋洗出釓，再分別用1 mol/L、0.5 mol/L、0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L和H2O六種酸度的溶液淋洗，流出液以2 mL為單位收集后測(cè)定鈾含量（表2）。收集液為6 mL時(shí)，淋洗酸度低于0.1 mol/L硝酸時(shí)效果較好。

1.7 樣品測(cè)定

1.7.1 樣品溶液的配制

稱取UO2粉末1.2 605 g，溶解并蒸干，加入50 mL0.1 mol/L硝酸溶液（Gd濃度為2.2 g/L，U濃度為20 g/L）；稱取UO2粉末1.1 576 g，溶解并蒸干，加入50 mL0.1 mol/L硝酸溶液（Gd濃度為0.5 g/L，U濃度為20 g/L）。

1.7.2 各種含釓量樣品的鈾同位素測(cè)定

分別取0.25 mL樣品溶液上柱進(jìn)行鈾與釓分離，再用直接溶樣方法對(duì)非含釓UO2樣品進(jìn)行處理，測(cè)定結(jié)果（見表3），采用t檢驗(yàn)法對(duì)各含釓量樣品與非含釓樣品測(cè)量得到的平均值一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明各含釓樣品分離掉釓后與非含釓樣品的測(cè)量值的平均值是一致的。

2 實(shí)驗(yàn)室比對(duì)及數(shù)據(jù)處理

2.1 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

本比對(duì)實(shí)驗(yàn)由中核建中核燃料元件有限公司理化檢測(cè)研究所、中國(guó)工程物理研究院二所以及七所三個(gè)實(shí)驗(yàn)室協(xié)作完成，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用該方法對(duì)2個(gè)水平樣品分別測(cè)出6組數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

各實(shí)驗(yàn)室在采用熱電離質(zhì)譜法測(cè)定分離掉釓的鈾樣品中的鈾同位素比值（235U/238U、234U/235U）時(shí)未檢測(cè)到236U。每組數(shù)據(jù)用狄克遜檢驗(yàn)剔除異常值，再計(jì)算方法的重復(fù)性r和再現(xiàn)性R（見表4）。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過大量的條件試驗(yàn)，對(duì)鈾和釓的分離酸度、淋洗體積等進(jìn)行了優(yōu)化，建立了一種快速、準(zhǔn)確分析含釓鈾同位素的分析方法。

（2）實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩個(gè)水平的樣品進(jìn)行了比對(duì)，當(dāng)235U/238U的值約為0.01時(shí)，重復(fù)性和再現(xiàn)性分別為0.000 024和0.000 052，當(dāng)235U/238U的值約為0.026時(shí)，重復(fù)性和再現(xiàn)性分別為0.000 025和0.000 20。

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