Reillex-Reillex阴离子交换分离克量级铀中微量钚.pdf

第 卷 第期核化学与放射化学V o l N o 年月J o u r n a l o f N u c l e a r a n d R a d i o c h e m i s t r yA u g 收稿日期:;修订日期:通信联系人:涂俊R e i l l e x R e i l l e x阴离子交换分离克量级铀中微量钚谢翔,郭继军,李刚,吴牧晓,涂俊中国工程物理研究院 核物理与化学研究所,四川 绵阳 摘要:采用R e i l l e x R e i l l e x串联阴离子交换色层柱,建立了高铀钚比样品中微量钚的高效分离方法.考察了树脂类型、淋洗条件、价态调节等对钚分离效果的影响,确定了分离流程的条件.当铀钚质量比为 时,经两级R e i l l e x柱分离后,钚的平均回收率为 ,铀的去污因子大于.最后使用该方法从克量级辐照铀靶中分离出了微克量级超纯 P u,(U P u)/P u原子比为()(n).关键词:铀基体;微量钚;阴离子交换;分离中图分类号:O 文献标志码:A文章编号:()d o i:/h h x Y X S e p a r a t i o no fT r a c eP l u t o n i u mF r o mB u l kU r a n i u mU s i n gR e i l l e x R e i l l e xA n i o nE x c h a n g eC h r o m a t o g r a p h yX I EX i a n g,GUOJ i j u n,L IG a n g,WU M u x i a o,TUJ u nI n s t i t u t eo fN u c l e a rP h y s i c sa n dC h e m i s t r y,C h i n aA c a d e m yo fE n g i n e e r i n gP h y s i c s,M i a n y a n g ,C h i n aA b s t r a c t:Ah i g h l ye f f i c i e n t s e p a r a t i o nm e t h o d f o r t r a c ep l u t o n i u mf r o mh i g hu r a n i u mp l u t o n i u mr a t i o s a m p l e sw a s e s t a b l i s h e db yc o m b i n i n g t w oR e i l l e xa n i o ne x c h a n g e c h r o m a t o g r a p h i cc o l u m n s T h e e f f e c t s o f r e s i n t y p e,w a s hc o n d i t i o n,v a l e n c e s t a t e a d j u s t m e n t o np l u t o n i u ms e p a r a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d,a n dt h ec o n d i t i o n so fs e p a r a t i o np r o c e s sw e r ed e t e r m i n e d Wh e n t h em a s s r a t i oo f u r a n i u mt op l u t o n i u mi n t h e f e e d l i q u i d i s ,a f t e r t w o s t a g eR e i l l e xc o l u m ns e p a r a t i o n,t h ea v e r a g ey i e l do f p l u t o n i u mi s a n d t h ed e c o n t a m i n a t i o n f a c t o ro fu r a n i u mi sg r e a t e r t h a n U s i n gt h i sp r o c e s s,h i g hp u r i t yt r a c e P u i ss e p a r a t e df r o mi r r a d i a t e du r a n i u mt a r g e t,a n dt h ea t o m i cr a t i oo f(U P u)/P ui s()(n)K e yw o r d s:b u l ku r a n i u m;t r a c ep l u t o n i u m;a n i o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y;s e p a r a t i o n P u主要通过反应堆产生的热中子轰击 U生成.在某些特定的低燃耗铀样品中,铀与生成钚的质量比约为,同时伴有C e、Z r、R u、N b等种类繁多的裂变产物生成,从低燃耗高铀钚质量比的辐照铀中提取分离高纯钚难度较大,相关研究报道较少.阴离子交换法分离钚具有去污能力强、分离效果好的特点 ,已被广泛应用于铀和镎中钚的分离与纯化 .R a m i r e z等利用苯乙烯基二乙烯苯的季铵型强碱性阴离子树脂(AG阴离子交换树脂)从毫克量级辐照铀中提取分离示踪量 P u,P u平均回收率();能谱表征显示在铀淋洗阶段有明显P u的穿漏,P u与 U的能谱峰面积比为 ,且 P u产品的能 谱 峰 中 有 明 显 的 U信 号.A r a u j o等 利用AG阴离子交换树脂从克量级铀中分离出微克量级P u,通过将 m o l/LHNO洗脱液加热至 对P u进行洗脱,进而提高P u()的脱附动力学速率,最终将P u回收率提升至;实验结果显示当铀钚质量比达到 时,需要至少三级AG阴离子交换柱串联才能实现P u中U的有效去除.上述研究表明,利用阴离子交换法可实现较低燃耗辐照铀中微量钚的分离.然而,由于AG阴离子交换树脂对P u(NO)吸附与脱附的动力学速率较慢,且对U有弱吸附作用(m o l/L HNO体系下,U分配比约为),因此利用该阴离子交换树脂分离铀钚时,P u回收率较低且P u产品中存在明显的U干扰,而后续对P u产品进行多级柱分离纯化时会进一步降低P u的回收率.美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究表明,聚(乙烯基吡啶)大孔阴离子交换树脂(R e i l l e x树脂)对P u(NO)的吸附容量高,离子交换动力学速 率 快,且 耐 辐 射 降 解 和 热 降 解 ,多 级R e i l l e x树脂串联离子交换分离法已成功应用于辐照 N p中 P u的分离与纯化.本工作针对低燃耗辐照铀中高纯钚的高效分离需求,拟探索采用串联R e i l l e x柱分离方法提高大量铀基体中微量钚分离全流程中P u的回收率和总体铀的去污因子,以实现铀钚质量比约为 的辐照铀中微量高纯钚的分离.实验部分 仪器与试剂电感耦合等离子体光谱仪(I C P O E S)、电感耦合等离子体质谱仪(I C P M S),美国安捷伦公司;热表面电离质谱计(T I M S),美国赛默飞世尔公 司;O c t e t ep l u s能谱仪,美国O R T E C公司;T r i C a r b 型液体闪烁谱仪,美国P e r k i nE l m e r公司;B E 能谱仪,美国C A N B E R R A公司.P u样品液,自制;硝酸铀酰标准溶液,m g/L(质量分数HNO溶液),核工业北京化工冶金研究院;氨基磺酸(NHS OH)、还原铁粉,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;裂变产物元素(C e、L a、N b、R u、S r、Z r)硝酸标准溶液,国药集团化学试剂有限公司;m o l/L氨基磺酸 亚铁(F e S A)溶液,自行配 制;硝酸,优级纯,A l f aA e s a r公司;聚乙烯吡啶型强碱性阴离子交换树脂(R e i l l e x树脂,交 联 度,粒 径 为 m m)、苯乙烯基二乙烯苯型树脂(D o w e x 树脂,交联度,氯型,粒径为 m m),S i g m a A l d r i c h公司.离子交换树脂柱的制备与预处理称取R e i l l e x树脂和D o w e x树脂,分别用去离子水多次洗涤除去浮渣,再用 m o l/LHNO浸泡备用.采用湿法将阴离子树脂装入分离柱中,柱内径 c m,树脂柱体积 m L.用 m Lm o l/LHNO过柱,使之预平衡,备用.分离方法根据实验需求,将 P u溶液、硝酸铀酰标准溶液和裂变产物元素(C e、L a、N b、R u、S r、Z r)硝酸标准溶液某一种或者某几种分别加入到 m o l/LHNO溶液中配制成样品溶液.采用两根R e i l l e x离子交换柱的组合进行大量铀中微量钚的分离.通过对样品溶液中P u价态调节后,将样品溶液以 m L/m i n的流速经过第一级R e i l l e x分离柱,使P u()吸附于R e i l l e x树脂上,随后用m o l/LH N O m o l/LN HF溶液淋洗树脂上的铀和裂变产物元素,再用m o l/LHNO溶液淋洗 树脂上残留 的NHF,最 后 用 m o l/LHNO溶液洗脱P u.将第一级R e i l l e x柱分离收集的含P u硝酸溶液经过酸度和P u价态调节后,再通过第二级R e i l l e x分离柱进行纯化,铀和裂变产物元素的淋洗及P u的洗脱与第一级柱分离条件相同,收集P u洗脱液.后续根据实际使用需求,增加P u纯化的级数,可获得超纯P u产品液.分析方法采用I C P O E S或I C M S测定U浓度,采用液闪或能谱测定P u含量,采用能谱测定裂变核素,采用热电离质谱测定P u同位素组成.核化学与放射化学第 卷结果与讨论 分离条件的选择 阴离子交换树脂的选择首先考察了P u()分别在苯乙烯基二乙烯苯型强碱性阴离子交换树脂(D o w e x)和聚乙烯吡啶型强碱性阴离子交换树脂(R e i l l e x树脂)上的吸附与解离性能,两种树脂的结构式示于图.料液中含 n gP u,溶剂为 m o l/L HNO,体积为m L.向料液中加入 m Lm o l/L氨基磺酸亚铁铵,搅拌,放置m i n,加热 m i n .将调价后的料液通过阴离子交换柱,先用 m Lm o l/LHN O淋洗树脂,再用 m L m o l/L HN O洗脱P u.P u在两种阴离子交换柱上的淋洗曲线示于图.如图所示,在 m o l/LHN O溶液中,P u()与N O形成的稳定P u(N O)络阴离子被吸附 于 阴 离 子 交 换 树 脂 上,在 m o l/LHNO淋洗条件下,P u()不会随着淋洗液流出.随 后 采 用 m o l/L HNO溶 液 洗 脱,P u(NO)络阴离子解离成P u()阳离子从树脂上脱附被淋洗下来.由于P u()在D o w e x 树脂上的解离动力学较慢,在常温下,P u()的洗脱存在明显的拖尾现象,次平行实验结果表明,P u回收率仅为().P u()在R e i l l e x树脂上的吸附脱附平衡动力学速率快,淋洗曲线半峰宽窄,峰型尖锐,P u()洗脱完全,P u的回收率大于 .因此,利用R e i l l e x树脂分离提纯钚时,可利用更少洗脱液体积实现P u()的高效 洗 脱,本 工 作 选 用R e i l l e x树 脂 开 展 后 续U/P u分离研究.图 D o w e x (a)和R e i l l e x(b)阴离子交换树脂结构式F i g S c h e m a t i cs t r u c t u r eo fD o w e x(a)a n dR e i l l e x(b)a n i o ne x c h a n g er e s