含釓UO2芯塊和粉末中鈾同位素豐度的熱電離質譜法測定

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，釓的存在會影響鈾同位素的測定，而且會沾污分析管道。該實驗通過大量的條件實驗，對鈾和釓的分離酸度、淋洗體積、淋洗酸度、淋洗速度、電離帶溫度等一系列條件進行了優化，建立了一種快速、準確分析含釓鈾同位素的分析方法。實驗中對兩個水平的樣品進行了比對，當235U/238U的值約為0.01時，重復性和再現性分別為0.000 024和0.000 052，當235U/238U的值約為0.026時，重復性和再現性分別為0.000 025和0.00 020。

關鍵詞：同位素 核能 釓 質譜分析法

中圖分類號：TL2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0202-03

在含釓鈾同位素富集度分析過程中，雖然釓不會對鈾同位素的測量形成疊加峰的干擾，但在單位體積內過多的釓離子會與鈾離子互相排斥，形成空間電荷效應，影響鈾同位素的測定，而且會沾污分析管道。

關于鈾與釓分離方法，從調研國內外文獻看，一般采用萃取法、沉淀法及強堿性陰離子交換法等分離鈾與釓。該實驗采用強堿性陰離子交換法將鈾與釓分離。

本法采用在8 mol/L HNO3介質中，將樣品溶液通過717型陰離子交換樹脂進行鈾與釓分離，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譜儀錸樣品帶上。在分析條件下，從樣品帶上蒸發的鈾氧化物分子碰到灼熱的錸電離帶表面電離成鈾離子，鈾離子經離子源加速、聚焦，在分析器磁場作用下按質荷比分離，然后離子按質量色散進入法拉第接收器進行測定，根據接收到的各同位素的離子流強度計算鈾同位素豐度，并用相近豐度的鈾同位素標準物質在相同條件下測得的校正因子校準。方法簡單快速，準確性及重復性好。

1 實驗部分

1.1 儀器和設備

MAT262型熱表面電離同位素質譜儀；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，測定含釓量，試驗表明采用8 mol/L硝酸溶液淋洗陰離子交換樹脂時95%以上的釓已被分離掉。

1.5 淋洗速度實驗

1.5.1 釓的淋洗速度確定

處理好二根離子交換柱，調節流速分別為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，測定含釓量，結果（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，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，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，兩個速度的淋出量基本一致，90%的鈾能被收集。

1.6 鈾淋洗酸度實驗

選取6種酸度進行淋洗試驗，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為單位收集后測定鈾含量（表2）。收集液為6 mL時，淋洗酸度低于0.1 mol/L硝酸時效果較好。

1.7 樣品測定

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定

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

2 實驗室比對及數據處理

2.1 比對實驗

本比對實驗由中核建中核燃料元件有限公司理化檢測研究所、中國工程物理研究院二所以及七所三個實驗室協作完成，每個實驗室采用該方法對2個水平樣品分別測出6組數據。

2.2 數據處理

各實驗室在采用熱電離質譜法測定分離掉釓的鈾樣品中的鈾同位素比值（235U/238U、234U/235U）時未檢測到236U。每組數據用狄克遜檢驗剔除異常值，再計算方法的重復性r和再現性R（見表4）。

3 結語

（1）通過大量的條件試驗，對鈾和釓的分離酸度、淋洗體積等進行了優化，建立了一種快速、準確分析含釓鈾同位素的分析方法。

（2）實驗中對兩個水平的樣品進行了比對，當235U/238U的值約為0.01時，重復性和再現性分別為0.000 024和0.000 052，當235U/238U的值約為0.026時，重復性和再現性分別為0.000 025和0.000 20。

參考文獻

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