六氟化铀检测方法的优化研究_谌慧慧.pdf

Science&Technology Vision科技视界DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.03六氟化铀检测方法的优化研究谌慧慧陈毅（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾644000）【摘要】本 文对UF6检 测 方 法进 行了 优化 研究，对 其 检 测 装 置 进 行 了 设 计 改 造，包 括 专 用 机 械 工 装、红 外 烤 灯、水汽 发 生 器 和 气 氛 马 弗 炉，装 置 具 有 可 实 现 设 备 半 自 动 化、材 料 耐HF腐 蚀、自 动 控 温 加 热、分 析 样 品 数 量 增 多 等 优 点。经 过 优化，提 高 了 分 析 检 测 效 率，降 低 了 安 全 风 险，规 避 了 单 一 设 备 带 来 的 检 测 风 险。通 过 试 验，确 定 优 化 参 数 为：红外 灯 功 率650w750w，蒸 干 时 间130min150min；水 汽 发 生 器 控 温6080，气 体 流 量 设 定 为0.6 L/min1.4L/min；气 氛 马弗 炉 灼烧 温 度875，时间60min90min。【关键词】六 氟化铀；装 置设 计；方 法优 化0引言目前中国的能源结构正向清洁低碳的新能源发展，安全、绿色的核能成为重要的发展方向。核能的发展离不开核燃料的加工，UF6是唯一既稳定又高度挥发性的铀化合物，一直被用作铀燃料生产过程的中间产物，广泛地应用于铀转化厂、铀富集度厂和核燃料元件厂1。UF6作为核燃料元件的原料，是元件质量的基本保障，是确保核燃料元件质量的重要因素，其纯度检验是一项非常重要的工作。目前 UF6纯度检验的方法有国家标准 GB/T14501.620082和国际标准 ASTM C761183。2010 年，中核建中就建立了 UF6复验的分析方法，解决了方法从无到有，但随着数量的增加，现有的检验方法和检测装置严重影响分析效率。同时，在复验的过程中，UF6样品管会遇到一些螺纹卡主、垫圈脱落等问题，导致样品管难以打开，存在样品泄露风险。UF6具有很强的氧化性、毒性和易挥发性，其泄露对人体和环境具有较大的危害性4。本文对现有的装置进行了设计改造，并对 UF6检验方法进行优化，实现了设备半自动化，消除样品泄露风险，降低了安全风险，有效提高了分析效率。1方法原理用特制的取样器取出液态 UF6，在铂金舟中水解，生成 UO2F2，蒸干后，在 875通入水蒸汽的情况下灼烧成U3O8，经化学计量校正后，从称重所得该铀氧化物（U3O8）重量而确定铀含量及纯度，生成的 U3O8用于测定同位素、杂质元素含量。反应过程及原理如下：UF6与水在低温下迅速发生，产物为 UO2F25：UF6+H2OUO2F2+4HF（1）当温度升高到 400以上，UO2F2将进一步水解成铀的氧化物：UO2F+H2O13U3O8+2HF+16O2（2）UO2F+H2O13U3O8+2HF+16O2（3）新技术应用009科技视界Science&Technology Vision图1专用机械工装结构示意图UO3在高温下失氧，其最终产物是 U3O8：3UO3800-850U3O8+12O2（4）2设备加工设计2.1气氛马弗炉气氛马弗炉设计要求加热元件采用高性能加热体，稳定最高温度 1100，控温精度5，温控系统具有PID 调节、控制功能，在使用过程中要满足耐高温耐酸腐蚀条件，炉膛尺寸可以满足同时分析 6 个以上样品。调研了炉膛材料，对 304 不锈钢、316 不锈钢、蒙乃尔 400 合金进行了调研，对比结果如下表 1 所示。表1不同材质性能参数对比材质组成密度（g/cm3）耐高温性（）耐酸性304 不锈钢Ni、Cr7.93800耐硝酸316 不锈钢Ni、Cr、Mo8.031200-1300低温下耐硫酸蒙乃尔 400 合金Ni、Cu8.8900耐氢氟酸UF6在灼烧的过程中会产生少量的 HF，内衬要耐氢氟酸，因此选择蒙乃尔 400 合金作为炉膛内衬。2.2水汽发生器改造前蒸汽发生器是由电加热套和三口烧瓶组成，存在电炉烫烧和三口瓶破裂的安全风险，设计水汽发生器取代蒸汽发生器，满足空气载带产生的水汽通入马弗炉炉膛，可控制流量，加热储水量不小于 2L，能显示水位或水量，具有自动控温加热功能，要求控温范围 0200，温控精度5。2.3红外烤灯设计红外烤灯用于 UF6水解液的蒸干，功率可调，同时可分析 4 个样品以上。红外灯的高度可上下调节并固定，带有水平底座，底座材质为不锈钢，耐高温酸碱腐蚀，底座尺寸为（250350）mm（120150）mm。红外灯带灯罩及具有向下聚光功能，额定工作功率 6001000W 可调。2.4专用机械工装设计一个专用机械工装，实现冷冻、固定、开启一体化，如图 1 所示，设计 6 个以上样品位，满足液氮冷冻样品，方便手动夹取样品放到样品支撑架上。样品支撑架用于样品瓶的直立限位及上下位移控制，不锈钢材质，使样品管竖立放在样品限位器上。其中样品固定部件也为不锈钢材质，满足自动升降定位，可以快速夹紧固定样品瓶螺母，使用专用扳手拧松样品瓶密封螺盖，能手动控制样品支撑架向上位移一点，以判断样品瓶内密封垫圈是否有卡住现象，如无卡住则顺利开启瓶盖，快速放开样品瓶夹紧部位后取出样品瓶，如有卡住现象则需反复缓慢重复此操作，在此过程中可控制样品固定部件自动向下移动到样品管处于冷冻位置，以防止样品挥发。2.5设备验收设备加工完成，依据设计加工要求对设备进行了验收，气氛马弗炉炉膛内衬为蒙乃尔 400 合金，可以同时灼烧 6 个以上的样品；温控系统程序调节，升温速率到达 40/min，控温精度5。水汽发生器，储水量 2L左新技术应用010Science&Technology Vision科技视界右，温控仪控温范围 0200。红外烤灯，烤灯为台灯样式上下左右可自由调节并可以固定位置，功率可调，最大为2000w。专用机械工装，液氮桶可以同时冷冻 10 个样品，遇到难以开螺纹的样品，可以从样品管底部给一个支撑力，加快开启样品瓶。3方法优化采用新的装置，对 UF6检验方法进行了优化，确定了最佳参数。经过试验验证，优化后的实验参数为：红外灯功率 650w750w，样品无迸溅，蒸干时间为 130min150min，灼烧程序为灼烧温度 875，时间为 60min90min，气体流量范围设定为 0.6 L/min 1.4L/min。采用优化的实验参数进行结果检测，结果如表 2 所示。从表 2 中看出，根据所选择的实验参数，溶液蒸干过程中无迸溅，UF6 脱氟完全，样品完全氧化，样品结果准确可靠。4结语为了优化 UF6检验方法，设计了专用机械工装、红外烤灯、水汽发生器和气氛马弗炉等重要装置。设计专用机械工装，集冷冻、固定、开启于一体，实现设备半自动化；UF6样品瓶出现垫片卡主、垫圈脱落、螺纹过紧等现象时，专用机械工装可以实现边冷冻边开瓶，避免 UF6挥发；设计红外烤灯，实现功率可调，缩短 UO2F2蒸干时间至 135min；设计水汽发生器，取代三口烧瓶和电加热套，实现自动控温加热，精确控制蒸汽流量；设计气氛马弗炉，炉膛内衬采用耐 HF 腐蚀的蒙乃尔合金，避免了内衬腐蚀更换，炉膛尺寸增加，每次分析样品从 2 个/次可增加到 6 个/次。经过试验，确定优化参数：红外灯功率 650w750w，蒸干时间 130min150min；水汽发生器控温 6080，气体流量设定为 0.6 L/min 1.4L/min；灼烧温度 875，时间 60min90min。表2样品检测结果样品编号样品颜色样品是否迸溅氟含量（g/g）铀含量（%）UF6纯度（%）C150410黑色否367.5799.941C150411黑色否367.5199.859C150419黑色否367.6099.978C150404黑色否367.6099.985C150413黑色否367.6099.988【参考文献】1许贺卿.铀化合物转化工艺学M.北京：原子能出版社，1994.2GB/T 14501.62008六氟化铀分析方法 第6部分：铀的测定.中华人民共和国质量监督检验检疫总局.2008，08.3ASTM C761-18 Standard Test Methods for Chemical，Mass Spectrometric，Spectrochemical，Nuclear，and Radiochemical Analysis of UraniumHexafluoride.4马跃峰.六氟化铀气体少量泄漏事故对人体健康影响评估J.中国职业医学，2016，43（4），467-470.5蔡文仕，舒保华，编著.陶瓷二氧化铀制备M.北京，原子能出版社，1987.新技术应用011