可燃毒物鉺的輻照及其同位素熱電離質譜法測定

梁幫宏，陳云明，劉 志，孫 鵬，李 兵，楊 彬

中國核動力研究設計院 第一研究所，四川 成都 610005

可燃毒物鉺的輻照及其同位素熱電離質譜法測定

梁幫宏，陳云明，劉 志，孫 鵬，李 兵，楊 彬

中國核動力研究設計院 第一研究所，四川 成都 610005

鉺(Er)是一種適用于輕水堆(LWR)的長效可燃毒物，Er2O3的堆內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。采用熱電離質譜法(TIMS)測定輻照前、后樣品中Er同位素豐度，跳峰模式測定6個Er同位素，低豐度162Er由法拉第杯檢測。測定時準確控制升溫測量電流，將蒸發帶和電離帶電流控制在1 400、5 500 mA以下，可減小168Yb、170Yb對168Er、170Er的同量異位素影響。結果表明，經中子輻照后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。

可燃毒物；鉺同位素；中子輻照；熱電離質譜

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

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

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

1 實驗部分

1.1儀器和試劑

Finnigan MAT 262型熱電離質譜儀，德國Finnigan公司，質量分辨率大于500，豐度靈敏度優于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個樣品位，北京質新儀器公司；厚壁手套箱，中國核動力研究設計院設備廠；電熱板，最高加熱溫度260 ℃，南京瑞尼克科技開發有限公司。

Er2O3，純度為99.9%，北京新星試劑公司；錸帶：18 mm×0.7 mm×0.04 mm，使用前經除氣裝置除氣；硝酸，電子純(MOS級)，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水純化系統制備。

1.2Er2O3的輻照

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

1.3輻照后Er2O3樣品預處理

在手套箱中將輻照后Er2O3樣品從鋁箔內剝離，并準確稱量樣品質量。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，當黑煙減少或錸帶變紅時立即停止電流。采用雙帶結構，加載樣品的插件裝入轉盤待測。

1.4鉺同位素的質譜測定

開啟質譜儀，待真空度達到10-5Pa以下時，可對樣品升溫測定。錸帶升溫時，蒸發帶以200 mA/min升至1 000 mA，電離帶以600 mA/min升至4 800 mA，穩定2 min。以100 mA/min將蒸發帶升至1 400 mA，以200 mA/min將電離帶升至5 500 mA。升溫過程中Er+離子流出現并逐漸增大，微調轉盤位置和離子透鏡，使信號增強。監測174Yb+信號，當174Yb+離子流小于1 mV，166Er+離子流大于2 000 mV后可對樣品進行測定。

2 結果與討論

2.1檢測器的設置

鉺有6個同位素，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。測量天然Er時，如果豐度最大的166Er離子流強度大于2 000 mV，則豐度最小的162Er離子流強度將大于8 mV，因此所有離子流信號均可以用法拉第檢測器接收。MAT 262型熱電離質譜儀只配備了5個法拉第檢測器，對Er的6個同位素采用跳峰模式測量，法拉第檢測器模式設置列入表1。

表1 法拉第檢測器模式設置Table 1 Faraday detector mode settings

2.2質譜干擾

Er同位素中168Er、170Er的同量異位素分別為168Yb、170Yb，同量異位素會對Er同位素測定造成干擾。測量未經中子輻照的天然樣品時，可測量171Yb或其他Yb同位素信號，按照天然Yb同位素豐度計算扣除168Yb、170Yb對168Er、170Er的同量異位素影響。但是樣品在反應堆內經中子輻照后，由于各同位素的中子反應截面不一致，Yb同位素豐度會產生變化，無法再按照天然Yb同位素豐度用計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，在測量過程中嚴格控制樣品帶和電離帶的溫度，利用干擾元素和待測元素蒸汽壓和電離電位的不同排除同量異位素的干擾。Er同位素測定的質譜圖示于圖1。由圖1可知：當蒸發帶電流約為1 400 mA、電離帶約為5 500 mA時，Yb同位素離子流信號較小，對Er的干擾小；當蒸發帶電流升至約1 800 mA、電離帶電離升至約5 700 mA時，Yb同位素離子流明顯增強，對Er的干擾增大。為了減小Yb的干擾，測量時均控制較低測量電流，升溫后等待一段時間，使Yb信號逐漸衰減，隨時監測174Yb+離子流信號，在174Yb+信號較小時測量Er同位素比值。

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

2.3同位素測量結果

鉺同位素測定時，以天然鉺樣品為標準，選定166Er和170Er的同位素比值(r(166Er/170Er))2.255 0作為基準，計算質量歧視因子和同位素比值的修正系數。Er2O3樣品中Er同位素比值測定結果列入表2，其中r(162Er/170Er)測量不確定度最大，這是由于162Er信號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。因為Er同位素中167Er中子吸收截面最大(6.49×10-26m2)，167Er吸收中子后轉化為168Er，從而導致167Er減小和168Er增大。

表2 Er2O3樣品中Er同位素比值測定結果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 論

通過Er2O3的入堆輻照和同位素測定，建立了可燃毒物中子輻照及檢驗的方法，獲得了輻照前、后的同位素變化數據，為Er的輻照性能研究提供基本手段和參考數據。該方法也可應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分析研究

10.7538/hhx.2017.YX.2016062