葉宏生 徐利軍 夏 文 林 敏 陳克勝

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部 北京 102413）

為提高短壽命核素89Rb相關(guān)核科學(xué)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，得生產(chǎn)、分離出高純度的核素[1–5]。從235U裂變產(chǎn)物中可分離出能滿足測(cè)量所需活度要求的89Rb，但裂變核素種類繁多，Rb同位素更難以分離。O'Kelley等[6]采用反沖捕集法從裂變產(chǎn)物中收集89Rb，將濃縮鈾用鋁膜包裹后密封在特殊設(shè)計(jì)的“跑兔”中，鋁膜將裂變產(chǎn)生的大部分碎片捕集，而裂變碎片中的 Kr氣則通過(guò)一個(gè)由干冰和丙酮冷卻的玻璃毛細(xì)管進(jìn)入另一容器，其內(nèi)有一塊帶靜電的鋁膜，當(dāng)Kr衰變成Rb則被鋁膜捕集。由于裂變產(chǎn)物中的Xe也由抽吸帶走，該方法存在Xe的子體Cs的干擾。

鑒于裂變產(chǎn)物中Rb同位素分離的復(fù)雜性，我們改進(jìn)了原有低溫冷阱裝置，通過(guò)母核分離消除裂變產(chǎn)物中大部分雜質(zhì)核素的干擾，同時(shí)利用雙冷阱盡量減少Xe的子體Cs，最后用化學(xué)分離法得到較為純凈的89Rb。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

235U裂變產(chǎn)物中89Rb相鄰衰變鏈為(括弧中為半衰期)：

88Br (16.3 s) →88Kr (2.84 h) →88Rb (17.8 min)

89Br (4.3 s) →89Kr (3.15 min) →89Rb (15.15 min)

90Br (1.9 s) →90Kr (32.3 s) →90Rb (2.63 min)

138I (6.49 s) →138Xe (14.08 min) →138Cs (33.41 min)

冷卻法(圖1)消除Xe及其子體Cs干擾的原理如下：Kr的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為?156.6°C和?152.9°C[7]，Xe 則為?112°C 和?107.1°C, 尋找合適的溫度，在此溫度下Kr流走，而留下Xe與其他裂變產(chǎn)物，就可消除 Xe的干擾。同時(shí)，利用時(shí)間差將90Kr衰變殆盡成90Rb而留下，而89Kr則流到下一級(jí)分離裝置，幾個(gè)89Kr的半衰期后，就有足夠量的89Rb，用溶液洗滌下來(lái)。

圖1 89Rb分離方案Fig.1 Separation scheme of 89Rb.

1.2 雙冷阱

雙冷阱的分離原理為：載氣（摻有 Kr和 Xe的氮?dú)猓毫?.2–0.4MPa，氣體流量為1–4L/min，設(shè)Kr和Xe含量為0.05%–1%，則氣流中的Kr和Xe的分壓力為100–2000Pa，要使Xe留下而Kr流走，還需要 Xe發(fā)生相變，形成固體或者液體，而Kr始終保持氣相狀態(tài)。當(dāng)氣流中Xe含量為0.05%也即分壓為100 Pa時(shí)，可算得所需飽和溫度為103 K，該溫度下對(duì)應(yīng)的Kr的飽和蒸汽壓力為17475Pa，100＜＜17475，該狀態(tài)下 Kr是單相的氣體，而 Xe則由氣態(tài)飽和成液態(tài)，從而將二者分離。

我們利用不同氣體的飽和蒸氣壓的不同，改進(jìn)了原有的低溫氣體分離裝置[8]，增加冷卻冷阱，改造后裝置示意如圖2所示。

圖2 雙冷阱示意圖Fig.2 Schematics of the double cold trap.

整個(gè)工作容器的外部主體為可耐壓的杜瓦鋼筒，工作容器外圍纏繞電阻絲。液氮容器通過(guò)自增壓方式將液氮壓入杜瓦瓶，以冷卻工作容器，利用加熱器的微量加熱使液氮?dú)饣ㄟ^(guò)改變液氮上方的飽和蒸汽壓而控制溫度。調(diào)節(jié)到所需溫度后，摻有Kr、Xe的氮?dú)饬魅氲降蜏毓ぷ魅萜髦?，Xe冷凍下來(lái)而Kr流走，從而實(shí)現(xiàn)Kr、Xe分離，再過(guò)幾個(gè)89Kr半衰期而得到足夠的89Rb。

該實(shí)驗(yàn)裝置位(圖 3)于中國(guó)原子能科學(xué)研究院微型反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)室，摻有 Kr、Xe的混合氣依次經(jīng)過(guò)多級(jí)裂變靶室、流量計(jì)到雙低溫冷阱，經(jīng)過(guò)分離后廢氣被后端的緩沖罐、氣體壓縮泵和儲(chǔ)氣罐等收集，放置一定時(shí)間，待短壽命核素衰變殆盡后，通過(guò)活性炭排放到大氣。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Scheme of the cold trap experimental setup.

2 結(jié)果與討論

2.1 裂變產(chǎn)物生成時(shí)間與分離時(shí)間的選擇

采用氣體母核的冷卻方法，主要考慮裂變產(chǎn)物中氣體產(chǎn)物以及其子體的干擾，89Kr的半衰期為3.15min[9]，88Kr的半衰期為2.84 h，可通過(guò)其差異去除88Rb的干擾。根據(jù)要求，對(duì)138Xe的收集時(shí)間定為2–3個(gè)半衰期。冷卻收集得的138Xe，從冷阱中解吸后，由138Xe和138Cs半衰期計(jì)算，可知30.4min時(shí)138Cs達(dá)到活度最大值?？梢?jiàn)分離時(shí)間為10min左右收集效率最高，升溫解吸得的89Kr放置30.4min，基本都衰變成88Rb。

保護(hù)動(dòng)作時(shí)，需要將發(fā)生故障的發(fā)電機(jī)從電力系統(tǒng)中切除，盡量縮小停電范圍，從而使得無(wú)故障部分能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.2 冷阱入口溫度的選擇

由于進(jìn)氣口處的鋼管導(dǎo)熱速度快，受液氮低溫影響較大，一方面易造成入口堵塞，另一方面溫度過(guò)低會(huì)將部分 Kr氣冷凍下來(lái)。因此在混合氣進(jìn)口加裝加熱套，防止堵塞造成的核素污染。

根據(jù)89Rb的分離條件計(jì)算，所購(gòu)混合氣為含Kr、Xe 各 0.5% (V/V)的 N2(40L/10Mpa)。

溫度選擇實(shí)驗(yàn)用一個(gè)冷阱進(jìn)行，加入液氮，平衡溫度，使冷阱保持在?196℃左右，向冷阱中通入含 Kr、Xe(0.5%)的 N2。入口處加熱套的溫度為60°C、90°C、126°C，觀察堵塞所需時(shí)間分別為 3、8和＞25 mm。

由于89Rb及其母核的半衰期較短，因此Kr、Xe的分離僅需要維持30 min左右即可，可見(jiàn)上述實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)可以滿足。

2.3 89Rb熱分離條件的選擇

經(jīng)多次分離，所得結(jié)果仍有138Cs的干擾，故對(duì)89Rb的熱分離條件(表1)進(jìn)行研究：(1) 改變混合氣中Kr、Xe的比例，從1%的Kr、1%的Xe；0.5%的Kr、0%的Xe；最終改為0.5%的Kr、0.5%的Xe；(2) 改變兩個(gè)冷阱的分離溫度；(3)改變?cè)诎惺抑徐o態(tài)輻照和動(dòng)態(tài)輻照的時(shí)間。

從以上結(jié)果可以看出，隨著冷阱1的溫度降低，Xe的冷凍效率提高，雜質(zhì)含量降低。但按照此方法，并進(jìn)一步降低冷阱 1的溫度或改善混合氣中 Kr、Xe載體的含量，138Cs含量雖有所降低，但仍達(dá)不到完全去除雜質(zhì)的要求，所得的結(jié)果如圖4。

表1 改變條件89Rb的分離結(jié)果分析(2#冷阱?198°C)Table 1 Condition of separating 89Rb (Trap 2 at ?198°C)

圖4 存在138Cs干擾的89Rb的分離結(jié)果Fig.4 g spectrum of 89Rb with 138Cs.

2.4 對(duì)138Cs的去污研究

通過(guò)多次試驗(yàn)證明由于冷阱體積設(shè)計(jì)有限，混合氣中Xe無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%冷卻，為除去其中由Xe的子核Cs，將收集的Rb用萃取法進(jìn)行純化，除去其中的Cs。Cs的萃取劑為4-叔丁基-2-(a-甲基芐基)苯酚(t-BAMBP)。

為考察不同堿性條件下 t-BAMBP對(duì) Rb-Cs的分離效果，進(jìn)行如下冷實(shí)驗(yàn)：將t-BAMBP/二甲苯作為有機(jī)相，不同堿性大小含有 Rb/Cs離子的溶液作為水相，分別混合萃取1 min，分離后水相調(diào)節(jié)至酸性條件用 ICP-MS（型號(hào) ELEMENT，F(xiàn)innigan-MAT公司）進(jìn)行分析。計(jì)算不同堿性條件下有機(jī)相對(duì)Rb/Cs的分配比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從結(jié)果可以看出OH?的濃度為0.1mol/L時(shí)Rb/Cs的分配系數(shù)最大，因此選擇此條件為最佳分離條件。

圖5 不同的堿性條件下t-BAMBP對(duì)Rb、Cs的萃取分配比(a)，分配系數(shù)(b)Fig.5 Distribution ratio (a) and Distribution coefficient (b) of Rb and Cs extraction with t-BAMBP in different alkalinity.

2.5 其他雜質(zhì)去除

圖4表明，除138Cs的干擾外，在低能端300 keV附近還有雜質(zhì)峰，經(jīng)過(guò)相鄰核素衰變鏈分析，它們是Rb衰變成Sr的干擾，如91Sr等，用PMCyP萃取可除去這些雜質(zhì)的干擾，所得的結(jié)果圖6。

2.6 分離結(jié)果

通過(guò)上述去污后，測(cè)量初始時(shí)刻所得89Rb活度為2′104Bq，利用g低本底反康普頓譜儀測(cè)量分離所得樣品的雜質(zhì)，用文獻(xiàn)[4]的方法計(jì)算89Rb樣品中的雜質(zhì)含量如表2。

圖6 除去所有雜質(zhì)后所得89Rb的分離結(jié)果Fig.6 g spectrum of 89Rb without impurity.

表2 主要一些干擾放射性核素的去污因子Table 2 Decontamination factors (DF) for some nuclides

3 推薦分離流程

(1) 打開(kāi)低溫分離裝置的工作區(qū)管路(混合氣管路)，通入純氮?dú)馊コ諝?，確保無(wú)水蒸氣殘留；

(2) 打開(kāi)低溫分離裝置兩個(gè)冷阱的低溫區(qū)管路和液氮容器，排入液氮直到溫度顯示為液氮溫度后進(jìn)行電阻絲加熱，利用排氣閥控制低溫產(chǎn)生區(qū)的壓力，使達(dá)所需溫度(1#冷阱，?191℃；2#冷阱，?195℃)，穩(wěn)定2 min，使工作區(qū)的溫度達(dá)到平衡；

(3) 打開(kāi)輻照中子門以及混合氣入口，在靶室中輻照3 min，打開(kāi)冷阱混合氣入口以及尾氣收集口、氣體壓縮泵，收集裂變產(chǎn)物7 min；

(4) 收集完成后關(guān)閉工作區(qū)進(jìn)氣口、出氣口，產(chǎn)物冷卻1 min后升溫；

(5) 升溫的Kr氣用另一容器收集，靜置6 min左右，讓89Kr衰變成足夠的89Rb，加入混有Rb載體的溶液，將干擾同位素138Cs反洗到水相；

(6) 溶液轉(zhuǎn)移至分液漏斗，分別用t-BAMBP和PMCyP萃取分離溶液，所得的水相即可制源測(cè)量。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中采用的雙冷阱是在原有裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)改造的，由于混合氣的氣體流速較大，而冷阱工作區(qū)的體積較小，因此第一個(gè)冷阱對(duì) Xe的冷卻效率未達(dá)到99%以上。這導(dǎo)致后面分離得到的89Rb中存在138Cs的干擾，雖然可以通過(guò)萃取的方法除去138Cs，但其中耗費(fèi)的時(shí)間導(dǎo)致89Rb的總量減少，下一步的工作可以增加冷阱的體積以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步完善。

考慮到在前端進(jìn)行低溫冷阱操作時(shí)工作人員的輻射劑量防護(hù)，本實(shí)驗(yàn)中利用該方法得到89Rb的量大約為104Bq量級(jí)，若能實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的遠(yuǎn)程控制，還可以提高中子通量，將所得89Rb總量提高，以滿足g發(fā)射率的測(cè)量要求。

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