含钆UO2芯块和粉末中铀同位素丰度的热电离质谱法测定

陈道军 张建生

摘 要：钆作为一种中子毒物，常被添加在高燃耗核燃料元件中，钆的存在会影响铀同位素的测定，而且会沾污分析管道。该实验通过大量的条件实验，对铀和钆的分离酸度、淋洗体积、淋洗酸度、淋洗速度、电离带温度等一系列条件进行了优化，建立了一种快速、准确分析含钆铀同位素的分析方法。实验中对两个水平的样品进行了比对，当235U/238U的值约为0.01时，重复性和再现性分别为0.000 024和0.000 052，当235U/238U的值约为0.026时，重复性和再现性分别为0.000 025和0.00 020。

关键词：同位素 核能 钆 质谱分析法

中图分类号：TL2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0202-03

在含钆铀同位素富集度分析过程中，虽然钆不会对铀同位素的测量形成叠加峰的干扰，但在单位体积内过多的钆离子会与铀离子互相排斥，形成空间电荷效应，影响铀同位素的测定，而且会沾污分析管道。

关于铀与钆分离方法，从调研国内外文献看，一般采用萃取法、沉淀法及强碱性阴离子交换法等分离铀与钆。该实验采用强碱性阴离子交换法将铀与钆分离。

本法采用在8 mol/L HNO3介质中，将样品溶液通过717型阴离子交换树脂进行铀与钆分离，铀吸附在树脂上，钆随着溶液流出，然后用0.1 mol/L HNO3将铀洗涤下来置于坩埚中，蒸干，加入适量0.75 mol/L HNO3配制成含铀2 g/L的硝酸铀酰溶液，用微量取样器将约1μL硝酸铀酰试液涂在质谱仪铼样品带上。在分析条件下，从样品带上蒸发的铀氧化物分子碰到灼热的铼电离带表面电离成铀离子，铀离子经离子源加速、聚焦，在分析器磁场作用下按质荷比分离，然后离子按质量色散进入法拉第接收器进行测定，根据接收到的各同位素的离子流强度计算铀同位素丰度，并用相近丰度的铀同位素标准物质在相同条件下测得的校正因子校准。方法简单快速，准确性及重复性好。

1 实验部分

1.1 仪器和设备

MAT262型热表面电离同位素质谱仪；OPTIMA3300 DV型光谱仪；电位滴定仪；电子天平，分度值为0.1 mg；离子交换柱。

1.2 试剂和材料

硝酸（HNO3），ρ（HNO3）约1.42 g/cm3；717型阴离子交换树脂；Gd2O3，纯度为99.99%；移液管：10 mL，0.5 mL，0.25 mL；容量瓶：50 mL，250 mL；烧杯：50 mL，100 mL；UO2粉末。

1.3 试液的制备

称取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浓度为1.7 g/L，U浓度为20 g/L）。

1.4 铀和钆分离酸度选定

处理好四根离子交换柱，用5个树脂床体积的试剂淋洗树脂，控制流速为1 mL/min，配制好10 mol/L、8 mol/L、6 mol/L和4 mol/L四种硝酸溶液，分别取0.25 mL（含钆约428 μg，含铀约5000 μg）试液上柱，再分别用4 mL 10 mol/L、8 mol/L、6 mol/L和4 mol/L的硝酸溶液淋洗，测定含钆量，试验表明采用8 mol/L硝酸溶液淋洗阴离子交换树脂时95%以上的钆已被分离掉。

1.5 淋洗速度实验

1.5.1 钆的淋洗速度确定

处理好二根离子交换柱，调节流速分别为0.5 mL/min和1 mL/min，分别移取0.25 mL试液上柱，然后用8 mol/L硝酸淋洗，流出液以1 mL为单位收集，测定含钆量，结果（见图1）。用4 mL8 mol/L硝酸溶液分别以0.5 mL/min和1 mL/min淋洗时，95%以上的钆已被分离掉。

1.5.2 铀的淋洗速度确定

将分离掉钆的两根交换柱作铀的淋洗速度试验，用0.1 mol/L硝酸溶液作淋洗剂，流出液以2 mL为单位收集于坩埚中，并测量含铀量（表1）。用6 mL硝酸溶液以0.5 mL/min和1 mL/min淋洗时，两个速度的淋出量基本一致，90%的铀能被收集。

1.6 铀淋洗酸度实验

选取6种酸度进行淋洗试验，处理好六根离子交换柱，控制流速为1 mL/min，分六次分别取0.25 mL试液上柱，用4 mL8 mol/L硝酸溶液淋洗出钆，再分别用1 mol/L、0.5 mol/L、0.2 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L和H2O六种酸度的溶液淋洗，流出液以2 mL为单位收集后测定铀含量（表2）。收集液为6 mL时，淋洗酸度低于0.1 mol/L硝酸时效果较好。

1.7 样品测定

1.7.1 样品溶液的配制

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

1.7.2 各种含钆量样品的铀同位素测定

分别取0.25 mL样品溶液上柱进行铀与钆分离，再用直接溶样方法对非含钆UO2样品进行处理，测定结果（见表3），采用t检验法对各含钆量样品与非含钆样品测量得到的平均值一致性进行检验，检验结果表明各含钆样品分离掉钆后与非含钆样品的测量值的平均值是一致的。

2 实验室比对及数据处理

2.1 比对实验

本比对实验由中核建中核燃料元件有限公司理化检测研究所、中国工程物理研究院二所以及七所三个实验室协作完成，每个实验室采用该方法对2个水平样品分别测出6组数据。

2.2 数据处理

各实验室在采用热电离质谱法测定分离掉钆的铀样品中的铀同位素比值（235U/238U、234U/235U）时未检测到236U。每组数据用狄克逊检验剔除异常值，再计算方法的重复性r和再现性R（见表4）。

3 结语

（1）通过大量的条件试验，对铀和钆的分离酸度、淋洗体积等进行了优化，建立了一种快速、准确分析含钆铀同位素的分析方法。

（2）实验中对两个水平的样品进行了比对，当235U/238U的值约为0.01时，重复性和再现性分别为0.000 024和0.000 052，当235U/238U的值约为0.026时，重复性和再现性分别为0.000 025和0.000 20。

参考文献

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