用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程

摘要

本发明涉及一种用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程，包括以下步骤：（Ⅰ）溶解乏燃料元件块：将乏燃料元件块放入体积比为3：1的浓硝酸－浓盐酸混合液中，使完全溶解，溶解液冷却至室温；（Ⅱ）稀释溶解液：将步骤（Ⅰ）得到的冷却后的溶解液与硝酸混合，搅拌均匀，得到稀释后的溶解液；（Ⅲ）使用步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液，采用柱分离法分离铀、钚、钼和钕元素。本发明建立了乏燃料元件燃耗测量中一组新的化学分离流程，该化学分离流程采用了一些新的萃淋树脂、离子交换材料和高效液相色谱技术，实现铀、钚、钼、钕的化学分离，大大简化了操作流程，降低了操作难度，同时降低了研究人员所受辐射剂量。

说明书

技术领域

本发明属于乏燃料元件燃耗测量技术领域，具体涉及用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程。 

背景技术

乏燃料元件燃耗的放化分析是国际公认最准确的方法。核潜艇与新型核反应堆均需进行元件考验，通常为了得到堆芯的空间燃耗分布，详细准确地了解单根元件轴向和径向燃耗分布，元件的破坏性的分析是十分必要的。二十世纪七十年，我国开始了燃耗测量方法研究，燃耗测量组为此开发了分析方法，相继准确测量了08、09元件燃耗、728考验元件燃耗，为我国核潜艇的安全运行提供了保证，为我国首座核电站提供了设计参数。但是建立的燃耗放化测定方法存在技术环节多、分离的流程繁琐、研究人员所受剂量大等问题。如一次燃耗测量一般要30多人参加，操作的放射性强度达数百居里，所用时间达到数十天，如此长时间的操作无法满足当今大量样品分析的需要。 

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程，该化学分离流程简单易操作，且研究人员所受辐射剂量小。 

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程，包括以下步骤： 

（Ⅰ）溶解乏燃料元件块：将乏燃料元件块放入体积比为3：1的浓硝酸－浓盐酸混合液中，使完全溶解，溶解液冷却至室温； 

（Ⅱ）稀释溶解液：将步骤（Ⅰ）得到的冷却后的溶解液与硝酸混合， 搅拌均匀，得到稀释后的溶解液； 

（Ⅲ）使用步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液，采用柱分离法分离铀、钚、钼和钕元素。 

进一步，步骤（Ⅰ）中，乏燃料元件块与浓硝酸－浓盐酸混合液的配比为1g：120～150mL，且乏燃料元件块在压力为0.08～0.09MPa、85～90℃下加热溶解50～60分钟。 

进一步，步骤（Ⅱ）中，硝酸采用浓度为0.4mol/L硝酸，且步骤（Ⅰ）得到的冷却后的溶解液与0.4mol/L硝酸的体积比为1:200～1:300。 

进一步，步骤（Ⅲ）中，分离铀时包括以下步骤：取1mL步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液作样液，转入离心管中，加入介质HNO₃、Fe(NH₂SO₃)₂和N₂H₆(NO₃)₂，调节样液中含有4mol/L HNO₃、0.05mol/lFe(NH₂SO₃)₂和0.05mol/L N₂H₆(NO₃)₂，搅拌3～5min，放置25min；使调节介质后的样液以0.5mL/min的流速流过TBP萃取色层柱，然后用4mol/LHNO₃淋洗，最后用去离子水洗脱铀，收集含铀的洗脱液。 

优选情况下，分离铀的方法中，采用φ3mm×200mm的TBP萃取色层柱，淋洗时用4mol/L HNO₃淋洗20个柱体积，用6个柱体积的去离子水洗脱铀。 

进一步，步骤（Ⅲ）中，分离钚时包括以下步骤：取1mL步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液作样液，转入离心管中，加入介质HNO₃和Fe(NH₂SO₃)₂，调节样液含有1mol/L HNO₃、0.1mol/l Fe(NH₂SO₃)₂，搅拌3～5min，放置25min；再加入介质HNO₃和NaNO₂，调节含有7.1mol/L HNO₃和0.5mol/L NaNO₂，搅拌3～5min，放置25min；使调节介质后的样液以0.3mL/min的流速流过阴离子柱，用7.1mol/L HNO₃洗涤，再用0.35mol/LHNO₃淋洗，然后用0.35mol/L HNO₃-0.1mol/L DMHAN（N,N-二甲基羟胺）混合液洗脱钚，收集含钚的洗脱液。 

再进一步，阴离子柱采用φ3mm×35mm的吡啶型阴离子柱。 

优选情况下，分离钚的方法中，淋洗时用20个柱体积的7.1mol/LHNO₃淋洗，再用3个柱体积的0.35mol/L HNO₃淋洗，最后用12个柱体积的0.35mol/L HNO₃-0.1mol/L DMHAN（N,N-二甲基羟胺）混合液洗脱钚。 

进一步，步骤（Ⅲ）中，分离钼时包括以下步骤：取1mL步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液作样液，转入离心管中，加入介质HNO₃，调节样液含有0.8mol/L HNO₃，搅拌1～2min；使调节介质后的样液以1mL/min的流速流过钼树脂柱，用0.8mol/L HNO₃洗涤，然后用0.1mol/L NH₄OH洗脱钼，收集含钼的洗脱液。 

再进一步，钼树脂柱中采用的钼树脂是由α-安息香肟与苯乙烯－二乙烯苯的预聚物聚合而成的，可采用以下方法制备： 

1）配制分散剂溶液：在搅拌下将聚乙烯醇和过氧化苯甲酰加入到去离子水中，升温到45-50℃，使两者完全溶解，浓度为1.5-2wt%； 

2）配制含α-安息香肟的有机相：将α-安息香肟加入到有机溶剂中，α-安息香肟和有机溶剂的配比为1g：10-20mL，搅拌使α-安息香肟溶解，然后加入适量增粘剂（如聚苯乙烯或聚乙二醇双硬脂酸酯），超声分散30-40分钟； 

3）制备苯乙烯－二乙烯苯预聚物：将苯乙烯、二乙烯苯和引发剂混合，搅拌均匀，升温至65-70℃，使反应物发生预聚反应30-40分钟，得到苯乙烯－二乙烯苯预聚物，具体参考现有成熟工艺； 

4）合成树脂：将步骤3）得到的苯乙烯－二乙烯苯预聚物加入到步骤1）得到的分散剂溶液中，搅拌使其分散成珠体，缓慢升温至65-70℃后；向所得混合物中加入步骤2）得到的含α-安息香肟的有机相，体系中苯乙烯－二乙烯基苯预聚物、分散剂溶液和含α-安息香肟的有机相的体积比为（2-1）：（2-1）：1，继续升温至80-85℃，在此温度下反应10-15小时，停止加热，自然降温；当温度降至40-50℃时，将反应混合物过滤，用水洗涤沉淀物，自然晾干，即得含α-安息香肟的合成树脂。 

优选情况下，分离钼的方法中，钼树脂柱的规格为φ3mm×35mm，洗涤时用5个柱体积的0.8mol/L HNO₃洗涤，洗脱时用3～5个柱体积的0.1mol/L NH₄OH洗脱钼。 

进一步，步骤（Ⅲ）中分离钕时包括以下步骤：取1mL步骤（Ⅱ）得到的稀释后的溶解液作样液，以0.5mL/min的流速流过阳离子交换柱，用1.5mol/L HCl洗涤，再用4mol/L HNO₃洗脱稀土，收集含多种稀土元素的洗脱液；将含多种稀土元素的洗脱液蒸干，再用硝酸溶解，调节溶液中含有0.01mol/L HNO₃，以1.5mL/min的流速流过高效液相色谱柱，用0.07mol/Lα-羟基异丁酸淋洗，收集含钕的馏份；使含钕的馏份以0.5mL/min的流速流过(2一乙基己基)磷酸（HDEHP）萃取色层柱，用0.02mol/L HNO₃淋洗，用4mol/L HNO₃洗脱钕，得到含钕的洗脱液。 

优选情况下，分离钕的方法中，用阳离子交换柱分离时，采用强酸型阳离子交换柱，规格为φ3mm×200mm，洗涤时用20个柱体积的1.5mol/LHCl洗涤，再用10～15个柱体积的4mol/L HNO₃洗脱稀土；用高效液相色谱柱处理含多种稀土元素的洗脱液时，在柱压2～2.5MPa下进行，高效液相色谱柱的规格为φ4.6mm×250mm；用HDEHP萃取色层柱分离时，HDEHP萃取色层柱的规格为φ3mm×80mm，淋洗时用10mL 0.02mol/L HNO₃淋洗，洗脱时用8～10个柱体积的的4mol/L HNO₃洗脱钕。 

本发明建立了乏燃料元件燃耗测量中一组新的化学分离流程，该化学分离流程采用了一些新的萃淋树脂、离子交换材料和高效液相色谱技术，实现铀、钚、钼、钕的化学分离，大大简化了操作流程，降低了操作难度，同时降低了研究人员所受辐射剂量。 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。 

实施例 

本发明用于乏燃料元件燃耗分析的化学分离流程可以包括以下步骤： 

步骤（Ⅰ）：溶解乏燃料元件块。 

将5.2g乏燃料元件块放入盛有140～150mL体积比为3：1的浓硝酸－浓盐酸混合液的三颈瓶中，95℃水浴加热下减压溶解60分钟，压力为 0.08MPa，溶解液冷却至室温。 

元件块溶解后，将溶解液涂于玻璃片上，用电子显微镜未观察到颗粒物，表明元件块完全溶解。 

步骤（Ⅱ）：稀释溶解液。 

取0.5mL冷却后的溶解液至锥形瓶中，与100mL 0.4mol/L硝酸混合，充分搅拌得到稀释溶解液。可以在稀释溶解液中加入适当的放射性示踪剂，用于后续示踪分析。 

步骤（Ⅲ），使用步骤（Ⅱ）得到的稀释溶解液，采用柱分离法分离铀、钚、钼和钕。在这一步骤中，不同的放射性元素采用不同的分离柱及工艺条件进行分离，具体操作方法如下： 

a）铀分离：取1mL步骤（Ⅱ）的稀释溶解液转入离心管中，加入介质浓硝酸、Fe(NH₂SO₃)₂和N₂H₆(NO₃)₂，调节稀释溶解液中含有4mol/LHNO₃、0.05mol/l Fe(NH₂SO₃)₂和0.05mol/L N₂H₆(NO₃)₂的介质，玻璃棒搅拌3～5min，放置25min；使放置后的溶解液以0.5mL/min的流速流过φ3mm×200mm的TBP萃取色层柱，然后用20个柱体积的4mol/L HNO₃淋洗，最后用6个柱体积的去离子水洗脱铀，收集含铀的洗脱液。 

b）钚分离：取1mL步骤（Ⅱ）的稀释溶解液转入离心管中，加入介质浓硝酸和Fe(NH₂SO₃)₂，调节稀释溶解液含有1mol/L HNO₃、0.1mol/lFe(NH₂SO₃)₂，玻璃棒搅拌3～5min，放置25min；再加入浓HNO₃和NaNO₂，调节稀释溶解液含有7.1mol/L HNO₃和0.5mol/L NaNO₂，玻璃棒搅拌3～5min，放置25min；使放置后的溶解液以0.3mL/min的流速流过φ3mm×35mm的吡啶型阴离子柱，用20个柱体积的7.1mol/L HNO₃淋洗，用3个柱体积的0.35mol/L HNO₃淋洗，用12个柱体积的0.35mol/LHNO₃-0.1mol/L DMHAN（N,N-二甲基羟胺）混合液洗脱钚，收集含钚的洗脱液。 

c）钼分离：取1mL步骤（Ⅱ）的稀释溶解液转入离心管中，加入介质浓硝酸，调节稀释溶解液含有0.8mol/L HNO₃，玻璃棒搅拌1～2min；使调节后的溶解液以1mL/min的流速流过φ3mm×35mm的钼树脂柱（其中的钼树脂可以采用α-安息香肟与苯乙烯－二乙烯苯的预聚物聚合而成的树 脂），用5个柱体积的0.8mol/L HNO₃洗涤，用3个柱体积的0.1mol/LNH₄OH洗脱钼，收集含钼的洗脱液。 

d）钕分离：取1mL步骤（Ⅱ）的稀释溶解液转入离心管中，以0.5mL/min的流速流过φ3mm×200mm的阳离子交换柱，用20个柱体积的1.5mol/L HCl洗涤，再用4mol/L HNO₃洗脱稀土，收集洗脱液；将洗脱液蒸干，再用浓硝酸溶解，调节溶液中含有0.01mol/L HNO₃，以1.5mL/min的流速流过φ4.6mm×250mm的高效液相色谱柱（柱压为2.1MPa），用0.07mol/L α-羟基异丁酸（pH为3.8）淋洗，收集含钕的馏份，使含钕的馏份以0.5mL/min的流速流过φ3mm×80mm的HDEHP萃取色层柱，用10mL 0.02mol/L HNO₃淋洗，用4mol/L HNO₃洗脱，得到含钕的洗脱液。 

分离完毕后，采用质谱、液闪和γ能谱仪分析各洗脱液中元素的含量，经计算可知，铀、钚、钼、钕的化学回收率分别为95%、91%、98%和80%，纯度均能达到质谱分析的要求。 

全流程操作可在8小时内完成，大大缩短了分析时间。 

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。