葉宏生 徐利軍 夏 文 林 敏 陳克勝

(中國原子能科學研究院計量測試部 北京 102413）

為提高短壽命核素89Rb相關核科學數(shù)據(jù)的測量精度，得生產(chǎn)、分離出高純度的核素[1–5]。從235U裂變產(chǎn)物中可分離出能滿足測量所需活度要求的89Rb，但裂變核素種類繁多，Rb同位素更難以分離。O'Kelley等[6]采用反沖捕集法從裂變產(chǎn)物中收集89Rb，將濃縮鈾用鋁膜包裹后密封在特殊設計的“跑兔”中，鋁膜將裂變產(chǎn)生的大部分碎片捕集，而裂變碎片中的 Kr氣則通過一個由干冰和丙酮冷卻的玻璃毛細管進入另一容器，其內有一塊帶靜電的鋁膜，當Kr衰變成Rb則被鋁膜捕集。由于裂變產(chǎn)物中的Xe也由抽吸帶走，該方法存在Xe的子體Cs的干擾。

鑒于裂變產(chǎn)物中Rb同位素分離的復雜性，我們改進了原有低溫冷阱裝置，通過母核分離消除裂變產(chǎn)物中大部分雜質核素的干擾，同時利用雙冷阱盡量減少Xe的子體Cs，最后用化學分離法得到較為純凈的89Rb。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

235U裂變產(chǎn)物中89Rb相鄰衰變鏈為(括弧中為半衰期)：

88Br (16.3 s) →88Kr (2.84 h) →88Rb (17.8 min)

89Br (4.3 s) →89Kr (3.15 min) →89Rb (15.15 min)

90Br (1.9 s) →90Kr (32.3 s) →90Rb (2.63 min)

138I (6.49 s) →138Xe (14.08 min) →138Cs (33.41 min)

冷卻法(圖1)消除Xe及其子體Cs干擾的原理如下：Kr的熔點和沸點分別為?156.6°C和?152.9°C[7]，Xe 則為?112°C 和?107.1°C, 尋找合適的溫度，在此溫度下Kr流走，而留下Xe與其他裂變產(chǎn)物，就可消除 Xe的干擾。同時，利用時間差將90Kr衰變殆盡成90Rb而留下，而89Kr則流到下一級分離裝置，幾個89Kr的半衰期后，就有足夠量的89Rb，用溶液洗滌下來。

圖1 89Rb分離方案Fig.1 Separation scheme of 89Rb.

1.2 雙冷阱

雙冷阱的分離原理為：載氣（摻有 Kr和 Xe的氮氣）壓力為0.2–0.4MPa，氣體流量為1–4L/min，設Kr和Xe含量為0.05%–1%，則氣流中的Kr和Xe的分壓力為100–2000Pa，要使Xe留下而Kr流走，還需要 Xe發(fā)生相變，形成固體或者液體，而Kr始終保持氣相狀態(tài)。當氣流中Xe含量為0.05%也即分壓為100 Pa時，可算得所需飽和溫度為103 K，該溫度下對應的Kr的飽和蒸汽壓力為17475Pa，100＜＜17475，該狀態(tài)下 Kr是單相的氣體，而 Xe則由氣態(tài)飽和成液態(tài)，從而將二者分離。

我們利用不同氣體的飽和蒸氣壓的不同，改進了原有的低溫氣體分離裝置[8]，增加冷卻冷阱，改造后裝置示意如圖2所示。

圖2 雙冷阱示意圖Fig.2 Schematics of the double cold trap.

整個工作容器的外部主體為可耐壓的杜瓦鋼筒，工作容器外圍纏繞電阻絲。液氮容器通過自增壓方式將液氮壓入杜瓦瓶，以冷卻工作容器，利用加熱器的微量加熱使液氮氣化，通過改變液氮上方的飽和蒸汽壓而控制溫度。調節(jié)到所需溫度后，摻有Kr、Xe的氮氣流入到低溫工作容器中，Xe冷凍下來而Kr流走，從而實現(xiàn)Kr、Xe分離，再過幾個89Kr半衰期而得到足夠的89Rb。

該實驗裝置位(圖 3)于中國原子能科學研究院微型反應堆實驗室，摻有 Kr、Xe的混合氣依次經(jīng)過多級裂變靶室、流量計到雙低溫冷阱，經(jīng)過分離后廢氣被后端的緩沖罐、氣體壓縮泵和儲氣罐等收集，放置一定時間，待短壽命核素衰變殆盡后，通過活性炭排放到大氣。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Scheme of the cold trap experimental setup.

2 結果與討論

2.1 裂變產(chǎn)物生成時間與分離時間的選擇

采用氣體母核的冷卻方法，主要考慮裂變產(chǎn)物中氣體產(chǎn)物以及其子體的干擾，89Kr的半衰期為3.15min[9]，88Kr的半衰期為2.84 h，可通過其差異去除88Rb的干擾。根據(jù)要求，對138Xe的收集時間定為2–3個半衰期。冷卻收集得的138Xe，從冷阱中解吸后，由138Xe和138Cs半衰期計算，可知30.4min時138Cs達到活度最大值。可見分離時間為10min左右收集效率最高，升溫解吸得的89Kr放置30.4min，基本都衰變成88Rb。

保護動作時，需要將發(fā)生故障的發(fā)電機從電力系統(tǒng)中切除，盡量縮小停電范圍，從而使得無故障部分能夠安全、穩(wěn)定地運行。

2.2 冷阱入口溫度的選擇

由于進氣口處的鋼管導熱速度快，受液氮低溫影響較大，一方面易造成入口堵塞，另一方面溫度過低會將部分 Kr氣冷凍下來。因此在混合氣進口加裝加熱套，防止堵塞造成的核素污染。

根據(jù)89Rb的分離條件計算，所購混合氣為含Kr、Xe 各 0.5% (V/V)的 N2(40L/10Mpa)。

溫度選擇實驗用一個冷阱進行，加入液氮，平衡溫度，使冷阱保持在?196℃左右，向冷阱中通入含 Kr、Xe(0.5%)的 N2。入口處加熱套的溫度為60°C、90°C、126°C，觀察堵塞所需時間分別為 3、8和＞25 mm。

由于89Rb及其母核的半衰期較短，因此Kr、Xe的分離僅需要維持30 min左右即可，可見上述實驗條件已經(jīng)可以滿足。

2.3 89Rb熱分離條件的選擇

經(jīng)多次分離，所得結果仍有138Cs的干擾，故對89Rb的熱分離條件(表1)進行研究：(1) 改變混合氣中Kr、Xe的比例，從1%的Kr、1%的Xe；0.5%的Kr、0%的Xe；最終改為0.5%的Kr、0.5%的Xe；(2) 改變兩個冷阱的分離溫度；(3)改變在靶室中靜態(tài)輻照和動態(tài)輻照的時間。

從以上結果可以看出，隨著冷阱1的溫度降低，Xe的冷凍效率提高，雜質含量降低。但按照此方法，并進一步降低冷阱 1的溫度或改善混合氣中 Kr、Xe載體的含量，138Cs含量雖有所降低，但仍達不到完全去除雜質的要求，所得的結果如圖4。

表1 改變條件89Rb的分離結果分析(2#冷阱?198°C)Table 1 Condition of separating 89Rb (Trap 2 at ?198°C)

圖4 存在138Cs干擾的89Rb的分離結果Fig.4 g spectrum of 89Rb with 138Cs.

2.4 對138Cs的去污研究

通過多次試驗證明由于冷阱體積設計有限，混合氣中Xe無法實現(xiàn)100%冷卻，為除去其中由Xe的子核Cs，將收集的Rb用萃取法進行純化，除去其中的Cs。Cs的萃取劑為4-叔丁基-2-(a-甲基芐基)苯酚(t-BAMBP)。

為考察不同堿性條件下 t-BAMBP對 Rb-Cs的分離效果，進行如下冷實驗：將t-BAMBP/二甲苯作為有機相，不同堿性大小含有 Rb/Cs離子的溶液作為水相，分別混合萃取1 min，分離后水相調節(jié)至酸性條件用 ICP-MS（型號 ELEMENT，F(xiàn)innigan-MAT公司）進行分析。計算不同堿性條件下有機相對Rb/Cs的分配比。實驗結果見圖5。從結果可以看出OH?的濃度為0.1mol/L時Rb/Cs的分配系數(shù)最大，因此選擇此條件為最佳分離條件。

圖5 不同的堿性條件下t-BAMBP對Rb、Cs的萃取分配比(a)，分配系數(shù)(b)Fig.5 Distribution ratio (a) and Distribution coefficient (b) of Rb and Cs extraction with t-BAMBP in different alkalinity.

2.5 其他雜質去除

圖4表明，除138Cs的干擾外，在低能端300 keV附近還有雜質峰，經(jīng)過相鄰核素衰變鏈分析，它們是Rb衰變成Sr的干擾，如91Sr等，用PMCyP萃取可除去這些雜質的干擾，所得的結果圖6。

2.6 分離結果

通過上述去污后，測量初始時刻所得89Rb活度為2′104Bq，利用g低本底反康普頓譜儀測量分離所得樣品的雜質，用文獻[4]的方法計算89Rb樣品中的雜質含量如表2。

圖6 除去所有雜質后所得89Rb的分離結果Fig.6 g spectrum of 89Rb without impurity.

表2 主要一些干擾放射性核素的去污因子Table 2 Decontamination factors (DF) for some nuclides

3 推薦分離流程

(1) 打開低溫分離裝置的工作區(qū)管路(混合氣管路)，通入純氮氣去除空氣，確保無水蒸氣殘留；

(2) 打開低溫分離裝置兩個冷阱的低溫區(qū)管路和液氮容器，排入液氮直到溫度顯示為液氮溫度后進行電阻絲加熱，利用排氣閥控制低溫產(chǎn)生區(qū)的壓力，使達所需溫度(1#冷阱，?191℃；2#冷阱，?195℃)，穩(wěn)定2 min，使工作區(qū)的溫度達到平衡；

(3) 打開輻照中子門以及混合氣入口，在靶室中輻照3 min，打開冷阱混合氣入口以及尾氣收集口、氣體壓縮泵，收集裂變產(chǎn)物7 min；

(4) 收集完成后關閉工作區(qū)進氣口、出氣口，產(chǎn)物冷卻1 min后升溫；

(5) 升溫的Kr氣用另一容器收集，靜置6 min左右，讓89Kr衰變成足夠的89Rb，加入混有Rb載體的溶液，將干擾同位素138Cs反洗到水相；

(6) 溶液轉移至分液漏斗，分別用t-BAMBP和PMCyP萃取分離溶液，所得的水相即可制源測量。

4 結論

實驗中采用的雙冷阱是在原有裝置的基礎上進行設計改造的，由于混合氣的氣體流速較大，而冷阱工作區(qū)的體積較小，因此第一個冷阱對 Xe的冷卻效率未達到99%以上。這導致后面分離得到的89Rb中存在138Cs的干擾，雖然可以通過萃取的方法除去138Cs，但其中耗費的時間導致89Rb的總量減少，下一步的工作可以增加冷阱的體積以對其進行進一步完善。

考慮到在前端進行低溫冷阱操作時工作人員的輻射劑量防護，本實驗中利用該方法得到89Rb的量大約為104Bq量級，若能實現(xiàn)對裝置的遠程控制，還可以提高中子通量，將所得89Rb總量提高，以滿足g發(fā)射率的測量要求。

1 凡金龍, 王世聯(lián), 黃萍, 等.裂變產(chǎn)物中短壽命核素138Cs 的分離提取[J], 光譜實驗室, 2003, 20(6):877–879 FAN Jinlong, WANG Shilian, HUANG Ping, et al.Fission products in the separation of short-lived nuclides138Cs extraction[J], Spectroscopy Laboratory, 2003, 20 (6):877–879

2 Rengan K.Continuous gas phase chemical separation [J],J Radioanal Nucl Chem, 1990, 142(1): 173–181

3 Arlt R.Beyer G J, Herrmann E, et al.On the identification of78Rb/T=19 min[J], Radiochem Radioanal Lett, 10(1972): 173–175.

4 Fritze K, Kennett T J.The identification and half-lives of fission-product92Rb and93Rb[J], Can J Phys, 1960, 38:1614-1622.

5 Litz L M, Ring S A, Balkwell W R.The 1.25-min82Rbm daughter of 27-day82Sr [J], Phys Rev, 1953, 92: 288-290

6 O'Kelley G D, Lazar N H, Eichler E.Decay of89Rb[J],Phys Rev, 1956, 102: 223-227.

7 David R Lide.CRC Handbook of Chemistry and Physics[M].83rded.Boca Raton, FL: CRC Press, 2002

8 徐利軍, 葉宏生, 陳克勝, 等, 低溫冷阱法分離裂變產(chǎn)物中138Cs[J], 核技術, 2008, 31(4): 316-320 XU Lijun CHEN Kesheng YE Hongsheng, et al.Separation of138Cs from fission products by a cold trap[J], Nucl Tech, 2008, 31(4): 316-320

9 Firstone R B, Table of Isotopes [Z].8th Edition Lawrence Berkley National Laboratory, University of California,1996.