伽馬能譜法在線分析硝酸—硝酸鐵溶液中的鈾

孫亮

摘 要：該工作對鈾及其子體發射伽馬射線能量和分支比數據進行了分析，確定使用235U輻射的185.7keV伽馬射線測量硝酸-硝酸鐵溶液中的鈾濃度。通過自研NaI伽馬能譜在線分析裝置，測量了鈾濃度10～200g/L范圍內235U輻射的185.7keV伽馬射線峰的峰高度，并對185.7keV伽馬射線的峰高和鈾濃度進行了線性擬合，得到R2>0.999。研究了溶液中硝酸濃度2-8mol/L范圍內，鈾濃度測量結果的RSD<3.2%，溶液中硝酸鐵濃度0-130g/L范圍內，鈾濃度測量結果的RSD<1.8%。

關鍵詞：在線測量 鈾濃度 硝酸溶液

中圖分類號：O615.13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0076-02

在濕法處理鈾工藝中溶液的鈾含量是極其重要的控制參數，它與產品質量、經濟效益、生產安全均有著直接的關系。對鈾含量進行在線分析可快速及時地指導生產，也為自動化控制創造條件，同時，在提高產品質量、減少物料流失、降低生產費用等方面有顯著的作用。

隨著分析技術的發展，發展了多種溶液中鈾含量在線分析方法，文獻[1]綜合國內外相關資料，介紹了多種鈾含量在線分析方法。應用較廣的方法有密度-電導聯合測定法[4]、超聲波聲速法、X射線熒光法[5]、電化學法[6]、γ射線吸收法、γ射線能譜法等。密度-電導聯合測定法和超聲波聲速法的測量流程簡單，設備成本較低，但要求體系單一，無法測量復雜多變溶液中的鈾含量。自動比色法的分析時間短，精密度較高，但屬于破壞性分析、流程復雜，需要對樣品進行預處理、系統復雜。X射線熒光法屬無損分析，流程較簡單，但儀器復雜，成本高，測量時間較長。γ吸收法也屬于無損分析，測量流程簡單，但溶液體系中的其他元素特別是重元素也吸收γ射線，溶液中復雜的成分對測量結果影響大。伽馬能譜法的測量流程和裝置簡單，溶液中一定含量范圍內的化學雜質對測量結果影響較小，在組成復雜的體系中，γ能譜法在線測定中、高含量鈾的結果較準確。

本工作擬選擇合適的鈾及其子體發射的伽馬射線，并使用自研的NaI伽馬能譜在線分析裝置，通過實驗研究體系中硝酸濃度、硝酸鐵濃度、及鈾濃度對測量結果的影響。

1 測量γ射線譜線選擇

從鈾及其子體發射伽馬射線能量和分支比數據表（表1）可見，鈾的同位素或其衰變子體均可發射伽馬射線，其中分支比高的有234U輻射的53.2 keV、235U輻射的185.7 keV和238U輻射的1001 keV，但234U在鈾元素所有同位素中的同位素豐度太低，并且其分支比也不如其他兩條譜線高，所以234U發射的伽馬射線無法用于測量鈾濃度。235U輻射的185.7 keV和238U輻射的1001 keV的伽馬射線均可用于在線測量，但238U輻射的伽馬射線來自于其衰變子體Pa，U-Pa的平衡時間約為245天，而很多化學工藝中的U為非平衡態，無法通過238U發射的伽馬射線在線測量溶液中的鈾濃度，所以只能通過235U 185.7 keV伽馬射線在線測量硝酸-硝酸鐵體系中的鈾濃度。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器和試劑

鈾標準溶液：將一定量GBW04205 U3O8鈾標準物質在850℃馬弗爐中灼燒2h，取出冷卻后稱取10.0 g放入100 mL燒杯中，加少許水潤濕，加入硝酸溶解，溶解后蒸至近干，然后用少量水溶解，并定容至50 mL容量瓶（預先稱得空瓶質量），控制鈾標準溶液的硝酸濃度為5 mol/L，待用。

Digibase-e型伽馬能譜儀，美國Ortec公司，平面型NaI探頭3英寸。

2.2 在線測量裝置（見圖1）

2.3 實驗方法

配制三組實驗樣品，第一組鈾濃度分別為0、10、20、40、100、200g/L，硝酸濃度為5 mol/L，硝酸鐵濃度為0；第二組鈾濃度為20 g/L，硝酸濃度分別為2、3、4、5、6、8 mol/L，硝酸鐵濃度為0；第三組鈾濃度為20 g/L，硝酸濃度為5 mol/L，硝酸鐵濃度分別為0、5、20、40、80、130 g/L。使實驗樣品進入測量裝置中的溶液輸送管道內，使用自研的NaI伽馬能譜在線分析裝置分別測量235U輻射的能量為185.7 keV伽馬能譜峰的峰高，測量時間5 min。

3 結果與討論

3.1 鈾濃度與185.7keV峰高關系

使用NaI伽馬能譜在線分析裝置分別對第一組的樣品進行了測量，并且對鈾濃度和185.7 keV的峰高進行了數據擬合，得到圖2，鈾濃度和峰高為線性關系，其線性擬合度R2大于0.999。

3.2 硝酸濃度和硝酸鐵對測量結果的影響

在鈾濃度實驗基礎上進行硝酸濃度影響實驗，分別測量了第二組的樣品，得到圖3。可得出硝酸濃度變化和測量結果無明顯相關性，說明硝酸濃度改變對測量結果無明顯影響，測量結果的波動可能來自于NaI伽馬能譜分析裝置測量的穩定性。在硝酸濃度2～8 mol/L范圍內，測量結果的相對標準偏差為3.2%。

通過對第三組樣品進行測量，得到圖4。可得出測量結果隨溶液中硝酸鐵濃度的改變既未產生一致的變化，說明硝酸鐵濃度改變對測量結果無明顯影響。在硝酸鐵濃度0～130 g/L范圍內，測量結果的相對標準偏差為1.8%。

鈾濃度和185.7 keV能譜峰峰高呈線性關系，并且通過硝酸濃度和硝酸鐵濃度單因素影響實驗結果計算得到，在硝酸濃度2～8 mol/L，硝酸鐵濃度0～130 g/L范圍內，測量結果的相對標準偏差優于3.6%，表明使用235U輻射的能量為185.7 keV伽馬能譜峰及NaI伽馬能譜在線分析裝置在線測量硝酸-硝酸鐵溶液中鈾濃度是可行的。

4 結論

（1）使用NaI伽馬能譜在線測量裝置，鈾濃度和235U輻射的能量為185.7 keV伽馬能譜峰的峰高呈線性關系，R2大于0.999。

（2）在硝酸濃度2～8 mol/L范圍內，測量結果的RSD<3.2%，在硝酸鐵濃度0～130 g/L范圍內，測量結果的RSD<1.8%，測量結果的總相對標準偏差優于3.6%。

參考文獻

[1]董靈英，陳國珍.鈾的分析化學[M].北京：原子能出版社，1982：353-363.

[2]朱志賢.流線分析[M].北京：原子能出版社，1976.

[3]魏學良.流線分析[M].北京：原子能出版社，1978.

[4]邵少雄，朱海巧，劉權衛，等.密度-電導法測定溶液中鈾和硝酸含量[J].中國原子能科學院年報，2008（00）：262-263.

[5]鄭維明，康海英，陳晨，等.鈾钚濃度在線測量裝置在后處理臺架實驗1AP中的應用[J].中國原子能科學院年報，2010（00）：266-267.

[6]岳文山，陳梅安，由文職，等.JF-2型低濃鈾在線分析儀的研制及現場試驗[J].鈾礦冶，2003，22（1）：49-53.

[7]Decay data of the transactinium nuclides[R].International atomic energy agency，1986：161-167.