可燃毒物鉺的輻照及其同位素?zé)犭婋x質(zhì)譜法測(cè)定

梁幫宏，陳云明，劉 志，孫 鵬，李 兵，楊 彬

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第一研究所，四川 成都 610005

可燃毒物鉺的輻照及其同位素?zé)犭婋x質(zhì)譜法測(cè)定

梁幫宏，陳云明，劉 志，孫 鵬，李 兵，楊 彬

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 第一研究所，四川 成都 610005

鉺(Er)是一種適用于輕水堆(LWR)的長(zhǎng)效可燃毒物，Er2O3的堆內(nèi)輻照是研究中子毒物Er輻照性能的基本手段。Er2O3在高通量工程試驗(yàn)堆(HFETR)中子注量率約為2×1014/(cm2·s)的輻照孔道中輻照91.3 h。采用熱電離質(zhì)譜法(TIMS)測(cè)定輻照前、后樣品中Er同位素豐度，跳峰模式測(cè)定6個(gè)Er同位素，低豐度162Er由法拉第杯檢測(cè)。測(cè)定時(shí)準(zhǔn)確控制升溫測(cè)量電流，將蒸發(fā)帶和電離帶電流控制在1 400、5 500 mA以下，可減小168Yb、170Yb對(duì)168Er、170Er的同量異位素影響。結(jié)果表明，經(jīng)中子輻照后166Er、167Er、168Er同位素豐度變化較大，豐度變化與中子吸收截面大小密切相關(guān)。

可燃毒物；鉺同位素；中子輻照；熱電離質(zhì)譜

可燃毒物中子吸收截面大，可用于補(bǔ)償反應(yīng)堆初始反應(yīng)性、展平堆芯功率分布、延長(zhǎng)換料或倒料周期，從而提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益[1]。鉺(Er)被認(rèn)為是一種適用于輕水堆(LWR)的長(zhǎng)效可燃毒物。在UO2球中加入少量的Er2O3能使反應(yīng)堆在235U最高富集度限制條件下開(kāi)發(fā)超高燃耗燃料(Er-SHB燃料)[2-4]。

Er2O3的堆內(nèi)輻照是研究中子毒物鉺輻照性能的基本手段，通過(guò)測(cè)定輻照前、后鉺同位素比值變化可以準(zhǔn)確計(jì)算中子毒物消耗量，為中子毒物研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鉺的同位素測(cè)定一般采用熱電離質(zhì)譜法(TIMS)。TIMS可精確測(cè)定鉺同位素豐度及原子質(zhì)量[5-6]。多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜、四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜、二次離子質(zhì)譜也可用于微量鉺的同位素測(cè)定[7-9]。多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜、四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜均需要毫升量級(jí)的液體樣品，二次離子質(zhì)譜一般用于測(cè)定痕量固體樣品微小區(qū)域的同位素比值。而輻照后樣品放射性強(qiáng)，熱電離質(zhì)譜只需要微升量級(jí)樣品，樣品烘干后不易對(duì)環(huán)境造成污染，便于操作，適于放射性樣品的準(zhǔn)確測(cè)定。

本工作擬在高通量工程試驗(yàn)堆(HFETR)中輻照Er2O3樣品，并采用TIMS對(duì)輻照前、后的鉺同位素進(jìn)行測(cè)定，建立中子毒物鉺的輻照及測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器和試劑

Finnigan MAT 262型熱電離質(zhì)譜儀，德國(guó)Finnigan公司，質(zhì)量分辨率大于500，豐度靈敏度優(yōu)于5×10-5；AG245型電子天平，感量0.01 mg，梅特勒托利多公司；除氣裝置，32個(gè)樣品位，北京質(zhì)新儀器公司；厚壁手套箱，中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院設(shè)備廠；電熱板，最高加熱溫度260 ℃，南京瑞尼克科技開(kāi)發(fā)有限公司。

Er2O3，純度為99.9%，北京新星試劑公司；錸帶：18 mm×0.7 mm×0.04 mm，使用前經(jīng)除氣裝置除氣；硝酸，電子純(MOS級(jí))，阿拉丁試劑有限公司；去離子水，電阻率大于18 MΩ·cm，密理博Direct 8水純化系統(tǒng)制備。

1.2Er2O3的輻照

將約20 mg的Er2O3粉末包裹在鋁箔內(nèi)，再將樣品鋁箔和中子注量探片一起放入鋁管內(nèi)。鋁管經(jīng)焊接密封，采用滲透檢測(cè)(PT)對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，避免鋁管在輻照過(guò)程中進(jìn)水。將鋁管放入套筒中，在高通量工程試驗(yàn)堆輻照孔道內(nèi)接受中子輻照。輻照時(shí)間共計(jì)91.3 h，反應(yīng)堆功率為80 MW/d，輻照孔道中子注量率約為2×1014/(cm2·s)。輻照結(jié)束后，樣品套筒經(jīng)保存水池轉(zhuǎn)移至熱室，在熱室內(nèi)將套筒及鋁管切割，取出輻照后Er2O3樣品。

1.3輻照后Er2O3樣品預(yù)處理

在手套箱中將輻照后Er2O3樣品從鋁箔內(nèi)剝離，并準(zhǔn)確稱量樣品質(zhì)量。加入5 mL 8 mol/L的HNO3，在電熱板上加熱溶解0.5 h，樣品完全溶解。用微量移液器滴1 μL樣品溶液在錸帶中心，以2 A電流烘干，保持10 s，當(dāng)黑煙減少或錸帶變紅時(shí)立即停止電流。采用雙帶結(jié)構(gòu)，加載樣品的插件裝入轉(zhuǎn)盤待測(cè)。

1.4鉺同位素的質(zhì)譜測(cè)定

開(kāi)啟質(zhì)譜儀，待真空度達(dá)到10-5Pa以下時(shí)，可對(duì)樣品升溫測(cè)定。錸帶升溫時(shí)，蒸發(fā)帶以200 mA/min升至1 000 mA，電離帶以600 mA/min升至4 800 mA，穩(wěn)定2 min。以100 mA/min將蒸發(fā)帶升至1 400 mA，以200 mA/min將電離帶升至5 500 mA。升溫過(guò)程中Er+離子流出現(xiàn)并逐漸增大，微調(diào)轉(zhuǎn)盤位置和離子透鏡，使信號(hào)增強(qiáng)。監(jiān)測(cè)174Yb+信號(hào)，當(dāng)174Yb+離子流小于1 mV，166Er+離子流大于2 000 mV后可對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1檢測(cè)器的設(shè)置

鉺有6個(gè)同位素，除豐度較小的162Er(豐度0.14%)、164Er(豐度1.61%)外，其它同位素豐度都很接近。測(cè)量天然Er時(shí)，如果豐度最大的166Er離子流強(qiáng)度大于2 000 mV，則豐度最小的162Er離子流強(qiáng)度將大于8 mV，因此所有離子流信號(hào)均可以用法拉第檢測(cè)器接收。MAT 262型熱電離質(zhì)譜儀只配備了5個(gè)法拉第檢測(cè)器，對(duì)Er的6個(gè)同位素采用跳峰模式測(cè)量，法拉第檢測(cè)器模式設(shè)置列入表1。

表1 法拉第檢測(cè)器模式設(shè)置Table 1 Faraday detector mode settings

2.2質(zhì)譜干擾

Er同位素中168Er、170Er的同量異位素分別為168Yb、170Yb，同量異位素會(huì)對(duì)Er同位素測(cè)定造成干擾。測(cè)量未經(jīng)中子輻照的天然樣品時(shí)，可測(cè)量171Yb或其他Yb同位素信號(hào)，按照天然Yb同位素豐度計(jì)算扣除168Yb、170Yb對(duì)168Er、170Er的同量異位素影響。但是樣品在反應(yīng)堆內(nèi)經(jīng)中子輻照后，由于各同位素的中子反應(yīng)截面不一致，Yb同位素豐度會(huì)產(chǎn)生變化，無(wú)法再按照天然Yb同位素豐度用計(jì)算的方法扣除同量異位素影響。

由于Yb的第一電離能(6.25 eV)大于Er的第一電離能(6.10 eV)，Yb電離溫度高于Er，在測(cè)量過(guò)程中嚴(yán)格控制樣品帶和電離帶的溫度，利用干擾元素和待測(cè)元素蒸汽壓和電離電位的不同排除同量異位素的干擾。Er同位素測(cè)定的質(zhì)譜圖示于圖1。由圖1可知：當(dāng)蒸發(fā)帶電流約為1 400 mA、電離帶約為5 500 mA時(shí)，Yb同位素離子流信號(hào)較小，對(duì)Er的干擾??；當(dāng)蒸發(fā)帶電流升至約1 800 mA、電離帶電離升至約5 700 mA時(shí)，Yb同位素離子流明顯增強(qiáng)，對(duì)Er的干擾增大。為了減小Yb的干擾，測(cè)量時(shí)均控制較低測(cè)量電流，升溫后等待一段時(shí)間，使Yb信號(hào)逐漸衰減，隨時(shí)監(jiān)測(cè)174Yb+離子流信號(hào)，在174Yb+信號(hào)較小時(shí)測(cè)量Er同位素比值。

(a)——蒸發(fā)帶：約1 400 mA，電離帶：約5 500 mA；(b)——蒸發(fā)帶：約1 800 mA，電離帶：約5 700 mA圖1 Er同位素測(cè)定的質(zhì)譜圖Fig.1 Mass spectrogram of erbium isotopes

2.3同位素測(cè)量結(jié)果

鉺同位素測(cè)定時(shí)，以天然鉺樣品為標(biāo)準(zhǔn)，選定166Er和170Er的同位素比值(r(166Er/170Er))2.255 0作為基準(zhǔn)，計(jì)算質(zhì)量歧視因子和同位素比值的修正系數(shù)。Er2O3樣品中Er同位素比值測(cè)定結(jié)果列入表2，其中r(162Er/170Er)測(cè)量不確定度最大，這是由于162Er信號(hào)采用跳峰模式接收造成的。輻照前、后Er同位素豐度的變化示于圖2。由圖2可知，166Er、167Er、168Er同位素豐度變化較大，其他同位素豐度變化較小。因?yàn)镋r同位素中167Er中子吸收截面最大(6.49×10-26m2)，167Er吸收中子后轉(zhuǎn)化為168Er，從而導(dǎo)致167Er減小和168Er增大。

表2 Er2O3樣品中Er同位素比值測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of Er isotope ratios in irradiated Er2O3 samples

注：置信概率為95%

圖2 輻照前、后Er同位素豐度的變化Fig.2 Changes of Er relative abundances before and after irradiation

3 結(jié) 論

通過(guò)Er2O3的入堆輻照和同位素測(cè)定，建立了可燃毒物中子輻照及檢驗(yàn)的方法，獲得了輻照前、后的同位素變化數(shù)據(jù)，為Er的輻照性能研究提供基本手段和參考數(shù)據(jù)。該方法也可應(yīng)用于其他可燃毒物或材料的中子輻照研究。

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IrradiationofBurnablePoison-ErbiumandItsIsotopicDeterminationbyTIMS

LIANG Bang-hong, CHEN Yun-ming, LIU Zhi, SUN Peng, LI Bing, YANG Bin

The First Sub-Institute of Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610005, China

Erbium(Er) is a kind of long-term burnable poison which is suitable for light-water reactor(LWR). The irradiation of Er2O3is a basic means to study the performance of burnable absorber Er in the reactor. Er2O3samples were irradiated in the irradiation channel (neutron fluence rate is about 2×1014/(cm2·s)) of high flux engineering test reactor(HFETR) for 91.3 h. The Er isotopic abundances of irradiated samples were measured by thermal ionization mass spectrometry(TIMS). The peak jumping mode was applied to determine the 6 isotopes of Er, and the low abundance162Er was detected by the Faraday cup. Isobaric interferences can be reduced by accurate control of heating current. Experiment shows that the isobaric interferences of168Yb,170Yb were reduced when the evaporation filament current was below 1 400 mA and ionization filament current was below 5 500 mA. The measurement results show that the166Er，167Er and168Er isotopic abundance changes greatly after neutron irradiation, and the variation of abundance is closely related to the neutron absorption cross section.

burnable poison; erbium isotopes; neutron irradiation; thermal ionization mass spectrometry(TIMS)

TL345

A

0253-9950(2017)05-0373-04

2016-06-01；

2016-10-07

梁幫宏(1983—)，男，羌族，四川北川人，副研究員，從事核燃料及材料輻照后放射化學(xué)分析研究

10.7538/hhx.2017.YX.2016062