放射性碳鋼廢物中鍶-90分析方法研究

張東梅

（中核四川環保工程有限責任公司，四川 廣元 628000）

1 國內狀況

目前國內處于或即將退役的核設施較多，核設施退役將產生大量的放射性金屬廢物，碳鋼廢物是其主要類別之一。放射性金屬廢物處理處置是核設施退役過程中的重點與難點，其放射性核素水平關系到放射性金屬廢物的最終處理方式[1]。反應堆等核設施長期運行，金屬廢物中富集的放射性核素種類及含量分布較為復雜，而且輻射防護所重視的放射性核素種類很多，普遍關注的也有20 種～30 種，想要檢測出所有的這些核素及其含量，既不經濟又不現實。鍶-90 半衰期較長，可以通過多種途徑進入人體，易于沉積在生物骨骼系統中，對人體造成輻射影響，屬于高毒性核素，輻射危害較大[2]，應作為重點關注的核素之一。由于碳鋼樣品前處理困難，樣品源制備復雜，碳鋼樣品中鍶-90 濃度通過現有相關方法無法達到準確測量的目的。

2 方法研究

2.1 研究思路

放射性碳鋼廢物中鍶-90 分析包括金屬樣品前處理和具體核素放化分析即樣品源制備測量2 個過程。樣品前處理主要包括浸取和溶解2 種方式。采用溶劑浸取法進行樣品前處理，能使碳鋼表面的放射性污染通過浸泡的方式轉移到浸取液后制源測量，但存在無法準確判斷放射性核素是否全部轉移或者定量轉移至浸取液中的問題。采用溶劑溶解法能使碳鋼樣品全部溶解，放射性核素全部溶解在溶解液中。

研究思路：采用溶劑溶解法進行樣品前處理，即選擇合適的酸溶劑將放射性碳鋼廢物樣品全部溶解，放射性核素全部轉移至溶解液中，利用水溶液中鍶-90 分析相關制源方法，制源測量釔-90，從而實現鍶-90 分析。

2.2 實驗準備

2.2.1 實驗環境

丙級放射化學實驗室，工作環境溫度：18 ℃～25 ℃。

2.2.2 主要試劑及設備

主要試劑包括鍶-90-釔-90 有證標準溶液、二-（2-乙基己基）磷酸酯（簡稱HDEHP）、聚三氟氯乙烯粉（簡稱kel-F）、實驗室常用試劑。實驗用水為去離子水。

設備包括電子天平、低本底β 測量儀、可拆卸式漏斗、實驗室常用儀器。

2.2.3 實驗樣品

模擬樣品：未被放射性污染的材質相同的碳鋼樣品，加入鍶-90-釔-90 標準溶液。

真實樣品：某廠房核設施中放射性碳鋼廢物樣品。

2.3 前處理

2.3.1 樣品溶解

2.3.1.1 單酸溶解

采用硝酸、鹽酸、硫酸、高氯酸、過氧化氫等單酸溶解小塊狀碳鋼樣品，結果表明，加入過量單酸溶劑，僅能短時劇烈反應，樣品只能溶解小部分。其原因是硝酸等單酸具有強氧化性，在與碳鋼樣品反應的過程中會使碳鋼表面鈍化。

2.3.1.2 組合酸溶解

選用王水、硝酸（1+1）、王水與高氯酸以及王水與過氧化氫等組合酸溶解樣品，觀測近似等量小塊狀碳鋼樣品在等體積過量的不同組合酸溶劑中的溶解效果，見表1。結果表明，碳鋼在4 種溶劑中都能完全溶解，反應先劇烈后緩慢，溶解所需時間差別較大。在王水與過氧化氫組合酸中的溶解時間最短。考慮樣品具有放射性，遵循輻射防護原則，選擇樣品溶解最佳方式：用王水與過氧化氫混合液作為溶劑，按每克樣品加入10 mL ～15 mL 王水的比例，分多次加入王水，樣品基本溶解，再加入5 mL ～10mL 過氧化氫，碳鋼樣品完全溶解。

2.3.2 鍶和釔富集、釔分離

鍶和釔的富集、釔分離主要方法見表2。稱取模擬樣品，加入鍶、釔載體溶液，進行樣品中鍶和釔的富集、釔的分離實驗，結果見表3。

表3 鍶和釔富集、釔分離結果

結果表明，用草酸鹽沉淀富集鍶和釔，釔的化學回收率約80%，方法準確性較高，可靠性較好。用碳酸鹽沉淀富集鍶和釔或硝酸鹽沉淀富集鍶和釔，釔的化學回收率均低于50%，2 種方法準確性較低，可靠性較差。其原因在于草酸鹽沉淀富集鍶和釔，調溶液pH 至3，將鍶和釔從含鐵量較多的溶液中全部以草酸鹽形成沉淀，而鐵完全存在于上層清液中，除鐵效果較好。而碳酸鹽沉淀富集鍶和釔、硝酸鹽沉淀富集鍶和釔均不能將鐵完全去除，以致因大量氫氧化鐵的載帶作用，釔在濃集過程中損失較大。

綜合選擇鍶和釔的富集、釔的分離方法，加入過量草酸，用氫氧化鈉溶液調pH 至3，以草酸鹽沉淀濃集鍶和釔，除鐵等雜質，沉淀放入馬夫爐中600 ℃高溫灼燒，分解多余草酸并進一步除雜，通過HDEHP-kel-F 色層柱解析，實現釔的分離純化。

2.4 實驗驗證

2.4.1 空白實驗

利用模擬樣品，按照2.3 實驗獲得的方法進行樣品前處理，以草酸釔沉淀制源，測量β 計數，并與未被放射性污染的空白測量盤計數進行比較，均測5 個周期，每個周期測量3 600 s，結果見表4。通過F 檢驗和t 檢驗，表明試劑空白實驗計數和儀器本底計數之間沒有明顯差異，說明分析流程中所用試劑材料不含干擾鍶-90 分析結果的元素。

表4 空白實驗計數和儀器本底計數的比較

2.4.2 方法回收率

樣品中鍶-90 分析方法回收率用釔載體的全程化學回收率表示。稱取真實樣品，加入鍶-90-釔-90 標準溶液、鍶載體溶液、釔載體溶液，溶解樣品，鍶和釔富集與純化、釔的分離，草酸釔沉淀制源測量β 計數，滴定法計算釔的全程化學回收率即得到方法回收率，平均值達80%，方法回收率較好。

2.4.3 方法檢出限

當樣品測量時間tx和本底測量時間t0相等時，采用泊松分布標準差，如果置信水平為95%時，計算方法檢出限為20.0 Bq/kg。

2.4.4 方法精密度

將真實樣品制成4 批平行樣品，同樣的人員用同一測量設備，采用該方法每批樣品分析6 次，進行精密度實驗，分析結果見表5，其相對標準偏差在7.21%～9.59%，表明方法的精密度較好。

表5 方法精密度結果

2.5 方法驗證

采用研制的放射性碳鋼廢物中鍶-90 分析方法，3 家實驗室分別對同一批6 個平行樣品進行比對分析，結果見表6。結果說明：不同實驗室、不同操作者、使用不同測量設備，分別對同一批平行樣品分析6 次，實驗室內相對標準偏差為7.92%～13.27%，即在重復性條件下，當樣品中鍶-90 的活度濃度大于2.02E+04 Bq/kg 時，相對標準偏差優于15%。實驗室間相對標準偏差為0.76%，由于實驗室間的差異性，在再現性條件下，當樣品中鍶-90 的活度濃度大于2.02E+04 Bq/kg時，相對標準偏差放寬至優于20%。

表6 方法驗證結果

3 結論

該文研究了放射性碳鋼廢物樣品的前處理方法，再利用水溶液中鍶-90 分析相關制源方法，建立了適宜的放射性碳鋼廢物中鍶-90 分析方法，通過了方法驗證，為放射性碳鋼廢物核素檢測及處理處置方式提供了理論依據。