TIMS測定輻照后Gd同位素比的方法研究

孫 鵬，梁幫宏，陳云明，李 兵

(中國核動力研究設(shè)計院，成都 610005)

在反應堆堆芯設(shè)計中，常采用釓元素作為可燃毒物[1-2]。這是因為155Gd和157Gd是具有最大熱中子吸收截面的天然同位素，只需要少量的釓就能滿足反應堆初期的反應控制需求，子產(chǎn)物的熱中子吸收截面小，在可燃毒物的燃耗計算中可以忽略，因而釓在燃耗末期的剩余量極少，據(jù)報道，當燃耗深度為5 000 MWd/tU時，155Gd和157Gd均已燃盡[3]，因此，采用釓作為可燃毒物，可以補償反應堆初始反應性、展平堆芯功率分布、加深燃耗、延長堆芯的燃耗壽期。國內(nèi)從上世紀60年代開始采用含釓可燃毒物棒，目前核電站普遍采用Gd2O3粉末混合UO2粉末并燒結(jié)成含釓芯塊的形式[4]，沸水堆一般是1 wt%～4 wt%，壓水堆通常為6 wt%～10 wt%[5]。大亞灣核電站利用法馬通核能公司先進的AFA3G燃料組件，使換料周期從12個月延長至18個月，極大地提高了核電運行的經(jīng)濟效益。由此可見，高性能的可燃毒物燃料組件在核反應堆中扮演了重要的角色。

要實現(xiàn)反應堆堆芯的設(shè)計，必須對含釓燃料組件中涉及到的各種物理參數(shù)進行計算，但由于某些計算程序中使用的核數(shù)據(jù)庫無法提供完整的俘獲吸收截面和相關(guān)釋熱參數(shù)數(shù)據(jù)等諸多原因帶來的計算誤差，最終都會影響反應堆的壽期和換料設(shè)計。因此，在進行理論計算的同時，通過樣品的堆內(nèi)輻照，得到實測數(shù)據(jù)后，再反向?qū)碚撚嬎氵M行修正，將能更好的輔助計算工作，進而得到更優(yōu)的設(shè)計方案。

Gd2O3的堆內(nèi)輻照是研究中子毒物釓輻照性能的基本手段，通過測定輻照前后同位素比值變化可以準確計算出中子毒物的消耗量，為中子毒物研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)關(guān)于釓的研究多屬于采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)等對釓濃度的測量方法研究[6-8]，制備技術(shù)研究[9-11]，萃取分離[12]，性能分析與優(yōu)化[13-15]理論計算[16-18]等，鮮有對輻照后中子毒物釓的分析報道。本文采用熱電離質(zhì)譜法對經(jīng)高通量工程試驗堆(HFETR)中輻照后氧化釓的同位素豐度進行測定，建立可燃中子毒物釓的輻照及測定方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器

Finnigan MAT 262熱電離質(zhì)譜儀(TIMS)：德國Finnigan生產(chǎn)，安裝有5個法拉第接收杯和一個RPQ(阻滯電位四極桿)，質(zhì)量分辨率大于500，豐度靈敏度優(yōu)于5×10-5，并有專門給空白錸帶除氣的燒帶裝置；石英亞沸高純水蒸餾器：SYZ-A型，精達儀器制造有限公司；酸蒸餾純化器：Distillacid，德國Berghof公司；電子天平：AG245，瑞士Mettler Toledo公司；電加熱板：萊伯泰科儀器股份有限公司；厚壁手套箱：途樂興業(yè)科技有限公司；除氣裝置：美國ThermoFisher公司。

1.2 主要試劑與材料

光譜純的Gd2O3：核工業(yè)北京化工冶金研究院；錸帶：18 mm×0.7 mm×0.04 mm，美國Thermo Fisher公司；濃硝酸：mos級，成都科龍化工試劑有限公司；去離子水：自制DYSB-W-BI805N003201，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 錸帶除氣

為除去錸帶上的雜質(zhì)和水蒸氣，確保質(zhì)譜儀離子源室的真空、縮短測量時間以及獲取有效數(shù)據(jù)，錸帶在涂樣前必須在燒帶裝置中高真空條件下進行電流加熱除氣30 min左右。

1.4 樣品的輻照

稱取約20 mg的天然釓氧化物樣品，用鋁箔包裹后放入鋁管。鋁管經(jīng)焊接密封，無損PT檢測后放入套筒，最后將其放入高通量工程試驗堆預定孔道內(nèi)接受中子輻照。輻照時間共計91.3 h，反應堆功率為80 MW，輻照孔道中子注量率約為2×1014n·cm-2·s-1。輻照結(jié)束后，將其轉(zhuǎn)移至保存水池，切割鋁管，取出輻照后樣品，測劑量，最后轉(zhuǎn)運至放化實驗室待處理。

1.5 輻照后樣品的溶解

1.5.1鋁箔的剝離

樣品為棒狀。手套箱中，將樣品放入已稱過質(zhì)量的稱量瓶，用一只鑷子夾住樣品，另一只鑷子剝離樣品，小心抖動鋁箔，使其盡可能少粘帶樣品，剝離后的鋁箔放入特定的廢物。稱量并記錄樣品質(zhì)量。

1.5.2溶解

溶解條件：靶件約20 mg，H2O∶HNO3=1∶1，加熱。

向裝有樣品的稱量瓶中，加入5 mL(1∶1 HNO3和H2O)，電熱板上加熱溶解0.5 h，樣品可溶解，繼續(xù)加熱溶液至剩余約1 mL，備用。

1.6 多接收法拉第杯的設(shè)置

釓有七個同位素，除豐度最小的152Gd只有0.20%外，其他六個同位素的豐度都很接近，經(jīng)實驗，當豐度最大同位素158Gd的離子流強度達到800 mV，那么豐度最小的152Gd離子流強度約7 mV。這樣強度的離子流完全可以用法拉第杯接收，并能獲得精度較好的數(shù)據(jù)。但是MAT 262只安裝了5個法拉第杯，對釓同位素可分為兩次同時接收模式，或用一次同時接收與兩次跳峰接收的模式，實驗表明，采用兩次同時接收的模式較為理想，杯結(jié)構(gòu)模式列于表1。

1.7 測試條件

用涂樣器將濃度約為2 g/L的釓樣品溶液涂1 μL在樣品帶上，安裝在樣品轉(zhuǎn)盤上并送入離子源室，待離子源室真空小于2×10-5Pa、分析室真空小于5×10-7Pa時，對樣品帶和電離帶分別加800 mA和4 000 mA電流，約等待10 min后，先加電離帶電流至6 000 mA左右，找187Re離子流并聚焦，再找158Gd，最后再加樣品帶電流，使Gd離子流達到適合測量的大小時開始自動采數(shù)和數(shù)據(jù)處理。

表1 接收釓同位素的法拉第杯結(jié)構(gòu)表

2 結(jié)果與討論

2.1 釓中子物理特性

每一種釓的同位素對應不同的熱中子吸收截面，其中155Gd和157Gd的熱中子微觀吸收截面較大，分別為6.1×10-24m2和2.54×10-23m2，在釓的整個吸收過程中，熱中子的80%被157Gd吸收，18%被155Gd吸收，2%被其他同位素吸收，釓的燃耗鏈示于圖1。由于釓同位素的吸收反應主要為輻射俘獲(n，γ)反應，在俘獲熱中子的同時生成156Gd和158Gd，又通過釋放γ射線和轉(zhuǎn)化電子衰變到基態(tài)而激發(fā)能量生成159Tb。

圖1 釓燃耗鏈

2.2 測量值的修正

質(zhì)譜儀存在動態(tài)質(zhì)量歧視和靜態(tài)質(zhì)量歧視效應，必須消除它對測量值的影響。樣品加熱蒸發(fā)過程中，由于質(zhì)量數(shù)的不同使得各同位素的蒸發(fā)速率不完全相同，隨時間的變化而變化，這是動態(tài)歧視效應的主要來源；靜態(tài)質(zhì)量歧視效應，主要是來源于離子光學系統(tǒng)、磁分析系統(tǒng)對離子的加速、聚焦、輸運以及信號接受系統(tǒng)對信號的轉(zhuǎn)換、放大、接受等。由于質(zhì)量歧視，測量值與真值不完全一致，要作適當?shù)男拚?/p>

(1)

C=(mj-mi)/mj

(2)

釓各同位素比值校正系數(shù)F可按公式(3)計算，結(jié)果列于表2。

(3)

式中：Fi,j為釓同位素i與釓同位素j豐度比測量值的校正系數(shù)。

表2 校正系數(shù)Fi,j的計算結(jié)果

2.3 天然釓同位素樣品的測量結(jié)果

對6個天然釓平行樣品進行質(zhì)譜測量，根據(jù)計算機采集、計算、給出的釓同位素豐度比值，按公式(4)計算被測樣品中各同位素豐度比的修正值，結(jié)果列于表3和表4。

(4)

從表4可以看出MAT-262質(zhì)譜儀測量值經(jīng)修正后與公布值數(shù)據(jù)十分吻合，說明采用釹標準物質(zhì)進行修正的方法可行。

表3 天然氧化釓同位素豐度比測量結(jié)果

表4 天然氧化釓同位素豐度測量值與公布值

2.4 輻照后樣品中Gd的同位素比值測定結(jié)果

對6個輻照后釓平行樣品進行質(zhì)譜測量，根據(jù)計算機采集、計算釓同位素豐度比值，按公式(4)可計算被測樣品中各同位素豐度比的修正值，結(jié)果列于表5。

由表5中的數(shù)據(jù)計算可得輻照后Gd各同位素的豐度值，并與輻照前的測量值對比，結(jié)果列于表6。Gd同位素的熱中子吸收截面列于表7。

表5 輻照后GdO2樣品中Gd同位素比值測定結(jié)果

表6 輻照后氧化釓同位素豐度與輻照前豐度差值

表7 主要Gd同位素的熱中子吸收截面

從表6、7中可以看出，由于152Gd、154Gd和160Gd吸收截面小，且不會由其他核反應生成，故這三種同位素輻照前后的豐度值幾乎沒有變化。而155Gd和157Gd的吸收截面大，所以其豐度值明顯減少。同時，由于156Gd和158Gd的吸收截面非常小，若忽略其因核反應造成的減少，則156Gd、158Gd的豐度變化分別完全來自155Gd、157Gd吸收中子反應生成，并與155Gd、157Gd的豐度減少量相互對應。

3 結(jié)論

開展質(zhì)譜法對可燃毒物釓同位素的分析研究，是為了適應核電事業(yè)的發(fā)展而做的技術(shù)儲備預研工作。通過樣品準備、靶件制備、入堆輻照、樣品轉(zhuǎn)移、樣品分析等過程，完成了可燃毒物釓的輻照與計算。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，對輻照后樣品的處理方法正確，測量修正合理，熱電離質(zhì)譜對Gd的輻照后分析數(shù)據(jù)與預期吻合。

本文建立的方法實用于鈾釓混合燃料芯塊和卸料元件組件中可燃毒物釓的同位素分析，得到實測數(shù)據(jù)后，可反向用于理論計算修正，以期獲得更優(yōu)的反應堆堆芯設(shè)計方案。