CN102175704B - 铀同位素丰度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用裂变产物产额比分析铀同位素丰度的方法。该方法用单能快中子辐照铀样品，选择²³⁵U、²³⁸U在轻峰处裂变产额有较大差异而重峰处产额几乎没有变化的两种裂变核素i、j，测量其特征γ射线，拟合出样品丰度与两种裂变核素i、j平均裂变产额之比的关系式

根据此关系式对未知铀样品的成分进行分析。该方法中子利用率高，设备简便，非常适合于重屏蔽情况下核材料的核查。

Description

铀同位素丰度分析方法

技术领域

本发明属于借助测定材料的物理性质来分析材料丰度的技术领域，具体涉及一种利用裂变产物产额比分析铀同位素丰度的方法。

背景技术

铀同位素丰度分析在核燃料循环和环境科学等领域具有非常重要的地位，因此也发展了很多丰度分析方法。其中最主要方法有：质谱法、α能谱法、γ能谱法和中子质询法。

质谱法是目前最经典的分析铀同位素丰度的方法，具有很多优点，但它是一种破坏性分析铀丰度的方法，仪器昂贵，操作过程烦琐，工作周期长，因此仅作为一种实验室精密分析铀同位素的方法。

对于铀同位素，大多数是α放射性核素，因此可用α能谱法来分析铀同位素丰度，但该方法样品需预处理，操作复杂，误差较大，精密度较低。

所有铀同位素都具有放射性，以发射α、β或自发裂变的形式衰变。伴随α或β发射时，核有时仍处于激发态，将以γ发射的方式衰变到基态。每一同位素都有各自独特的γ衰变概率和衰变能，通过测量其特征γ射线能量和强度可以分析铀同位素的丰度。γ能谱法是测定铀同位素丰度的一种非破坏性分析方法。该方法可对整个样品进行扫描测量，不需要取样，但γ能谱法的基体效应和自吸收影响较大，分析时需用标准样品进行校正。

有源中子质询法测定铀丰度的灵敏度比γ能谱法和无源中子质询法高。该方法是用中子源照射样品，使样品中的铀同位素诱发核反应，然后探测反应产物的放射性，如缓发中子、瞬发中子、γ射线等进行分析。该技术具备在非破坏条件下对单个元素的甄别能力，这是一般其他任何分析方法不具备的，有源中子法已成为核材料的非破坏性检测最有效的方法之一。

有源中子质询装置一般由三部分组成：中子源、慢化/屏蔽体和探测器。中子源可以是加速器(静电加速器、高压倍加器或直线加速器)、(D，T)中子发生器、密封中子管，也可以是放射源(²⁵²Cf、²⁴¹AmLi、¹²⁴SbBe)。从质询中子讯号中甄别诱发裂变中子主要采用能量甄别法、符合甄别法和时间甄别法。

1)符合甄别法

此方法的分析原理与无源中子符合计数是一致的，只不过在样品外增加了中子源，靠外界中子激发样品，产生裂变，释放更多的中子。如果移去中子源，该仪器可作为无源中子符合计数器。分析中，通过符合电路必须将中子探测器记录的中子源发射的中子扣除掉，只记录样品内核素受激发射的中子。为了使辐照更均匀，一般还设置了样品旋转装置。该方法比无源中子符合计数法更具有实用性，分析所需样品量少，灵敏度高，分析结果可靠性好。

2)时间甄别法

受中子辐照的原子核吸收中子形成不稳定原子核，这些不稳定的原子核则产生裂变，发射瞬发中子和缓发中子(半衰期0.2～55s)。其绝大多数以瞬发中子的形式衰变，而缓发中子仅占裂变产额的少数。对于²³⁵U，缓发中子与瞬发中子之比约1/120，²³⁹Pu的比约1/335。显然，有中子符合识别探测的是瞬发中子，而时间识别测量的是缓发中子。

在60年代末，随着较大强度的²⁵²Cf源的生产而使之成为缓发中子和γ射线分析仪器使用的同位素中子源，利用1mg²⁵²Cf(约2.5×10⁵s^-1)成功地研制了一台称为Cf shuffler的时间识别测量装置，该装置主要问题是²⁵²Cf半衰期较短。

3)能量甄别法

能量甄别法就是通过辐照中子与缓发中子的能量之差异，利用电子学电路的甄别技术，将来自中子源的中子甄别掉，只探测被测物裂变产生的中子。它主要用于核废料、废物的检测。1979年美国LANL为分析火箭核燃料研制了一种小型的能量识别系统，它由两个小型²²⁶Ra-Be(γ、n)源、12个³He气体正比计数器、Ni反射层和Pb屏蔽层组成。另外，此类能量识别逆源中子技术还适用于反应堆燃料组件和铀矿结构中子测井分析。

现有的中子质询分析铀丰度的方法，灵敏度和准确度虽然比γ能谱法和无源中子质询法高，但该方法一般都需要将快中子慢化，中子的利用率较低，而且辐照装置需要慢化体，测量装置需要中子测量系统和γ测量系统，整套分析系统非常复杂。

发明内容

(一)发明目的

针对现有技术所存在的局限，本发明旨在提供一种中子利用率高、无需慢化、操作简便的铀同位素丰度分析方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供一种裂变产物产额比法分析铀同位素丰度的新方法。如图1所示，该方法基于不同质量的裂变核的质量分布在重峰的位置几乎变化不大，而轻峰的位置随靶核质量增大而向右移动的原理，用单能快中子辐照铀样品，选择²³⁵U、²³⁸U在轻峰处(85≤A≤100和100≤A≤110)裂变产额有较大差异而重峰处(130≤A≤150)产额几乎没有变化的两种裂变核素i、j，测量其特征γ射线，拟合出样品丰度与两种裂变核素i、j平均裂变产额之比的关系式

根据此关系式对未知铀样品的成分进行分析。

具体分析方法如下：

步骤1，已知丰度和未知丰度的铀样品制备。

步骤2，铀样品自吸收因子的测定。

步骤3，中子照射。把已知丰度的铀样品依次用单能快中子辐照。

步骤4，γ谱线测定。辐照后，把铀样品依次进行裂变核素γ能量的测定，测定过程中进行自吸收校正。

步骤5，裂变产额计算。根据谱线强度计算裂变核素的平均产额之比。

步骤6，工作曲线拟合。将裂变核素的平均产额之比代入样品丰度与核素平均裂变产额之比的关系式(1)中，拟合出裂变产额之比与铀同位素丰度的关系曲线或关系式。

$\stackrel{\‾}{Y_i}/\stackrel{\‾}{Y_j}=\frac{Y_{iU_{235}}{H}_0{\mathrm{\δ}}_{U_{235}}+Y_{iU_{238}}(1-H_0){\mathrm{\δ}}_{U_{238}}}{Y_{jU_{235}}{H}_0{\mathrm{\δ}}_{U_{235}}+Y_{jU_{238}}(1-H_0){\mathrm{\δ}}_{U_{238}}}---\left(1\right)$

——裂变核素i的平均裂变产额；

——裂变核素j的平均裂变产额；

——²³⁵U裂变后裂变核素i的产额；

——²³⁵U裂变后裂变核素j的产额；

——²³⁸U裂变后裂变核素i的产额；

——²³⁸U裂变后裂变核素j的产额；

H₀——²³⁵U的丰度；

——²³⁵U的裂变截面；

——²³⁸U的裂变截面。

步骤7，待测铀样品分析。将未知铀样品按照上述3～5操作，计算出相同核素的产额后，根据步骤6已经拟合的工作曲线或关系式，分析出待测铀样品的铀丰度。

作为进一步优化方案，采用高压倍加器(D，T)、高压倍加器(D，D)或密封中子发生器所发出的单能快中子照射铀样品。

裂变核素的选择应满足三个条件：1)²³⁵U、²³⁸U在轻峰处裂变产额有较大差异；2)母体的半衰期足够短，自身的半衰期适合测量；3)核素的γ射线能量较强，分支比较大。因此，所选用的裂变核素可以是

(三)发明效果

本技术方案所提供的铀丰度方法的主要特点是中子无需慢化，利用率高；仅需对辐照后的样品进行γ测量即可获得铀的丰度，方法设备简便，非常适合于重屏蔽情况下核材料的核查；如果中子源选用可移动的小型密封中子管(发生器)，整套分析系统就可成为便携式装置，可方便的用于海关、港口等地。

另外，某种核素的裂变产额Y的绝对测量是一个很复杂的难题，影响产额数值的因素很多，包括γ射线的分支比、探测器效率、铀样品质量、几何位置的准确测定、入射中子注量率的测量及计算等。这必然使Y的不确定性大大增加，用测量获得的Y值推算出²³⁵U的丰度，误差必然很大。使用两种核素产额的比值作为²³⁵U丰度的函数，这就相当于Y的相对测量，许多影响因素被抵消。如γ射线的分支比、铀样品质量、几何位置的准确测定、入射中子注量率的波动等。还会使一些因素部分抵消或减弱，如样品形状及自吸收的影响，两个γ射线的能量越接近，则自吸收的影响相抵消的越多。

附图说明

图1是选择核素范围；

图2是裂变产物产额比法分析铀丰度的流程图；

图3是平均产额比与铀同位素丰度的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述。

实施例1

本实施例所需的13.9～14.2MeV单能快中子是在中国原子能科学研究院的高压倍加器(D，T)90度靶管上通过T(d，n)⁴He反应获得。圆柱形铀样品的端面与TiT靶平面相距1cm，此处中子注量率为0.5×10⁹n·s^-1·cm^-2，中子注量率通过伴随α粒子法测量。

本实施例选择利用的裂变核素是

本实施例测量用的谱仪系统由两个ORTEC公司生产的GEM30185P型HpGe谱仪，相对效率为30％，1332.5KeV处的FWHM为1.7～1.85KeV。为了得到较好的统计结果，每个样品经过10个半衰期的γ谱跟踪测量。在刚辐照时，测量的Real Time设置为冷却时间的1/10左右，从停照到开始测量需2min，所以第一个谱的Real Time是0.2mim，以后的谱依次递增测量时间。这样做的好处是，对于各种半衰期不同的裂变产物，都具有足够数量的谱记录其峰面积。通常一次实验先后辐照2个样品，因此采用两套HpGe谱仪。

本实施例所用的γ谱分析程序为ORTEC公司为谱仪系统配套的MAESTRO软件。产额批处理是利用冯晶、刘永辉、杨毅等在《核化学与放射化学》2002.5期中公开的22MeV中子诱发²³⁵U裂变的质量计算程序FYAU TOLS，此程序可将γ谱强度经级联校正后直接计算得到产额。

本实施所使用的样品是将天然铀U₃O₈(GBW-04205，丰度0.72％)和90.2％的高浓铀(成分²³⁴U、²³⁵U、²³⁶U、²³⁸U的质量丰度分别为1.1％、90.2％、0.3％、8.4％)配制成不同丰度、不同质量的混合物，在其中加入3％的纤维素，经研磨后，用压片机施加8吨/厘米²的压力压制成直径8mm的圆片，再将其用502胶封装在样品盒中，并检验其气密性。

如附图2，具体分析步骤如下：

步骤1，样品制备。准备²³⁵U丰度分别为0.722％、5.16％、9.73％、18.7％、27.7％、36.3％、54.9％、90.2％的已知铀样品。

准备未知丰度样品制备。

步骤2，自吸收校正因子测定。将装于相同规格样品盒内的不同成分的已知铀样品置于探测器上方，用¹⁵²Eu源同时放出的121.78、244.69、344.28、411.1、778.9、964、1112、1408KeV 8条γ射线和¹³⁷Cs发出的661.6KeVγ射线的放射源放在准直器上，用HpGe谱仪对不同能量γ射线测量不同成分样品的自吸收校正因子F。

步骤3，中子照射。将制备好的已知铀样品依次置于高压倍加器上辐照，辐照时间5～10min，冷却时间2～4min。期间通过伴随α粒子法监测中子能量和中子注量率。

步骤4，γ谱线测定。把中子照射后的样品依次放在距高纯锗探头相同的位置处进行裂变核素

的γ能量的测定，测定过程中进行自吸收校正。

步骤5，平均裂变产额计算。根据

的γ谱线强度，通过产额计算程序FYAU TOLS，分别计算8个样品裂变核素的平均产额比

计算结果如表1。

表1已知丰度样品的

平均产额比计算结果

样品号	1	2	3	4	5	6	7	8
									计算结果	0.70855	0.73230	0.75001	0.79770	0.84561	0.87698	0.95415	1.1883

步骤6，工作曲线拟合。将平均产额比分别代入样品丰度与平均裂变产额之比的关系式(1)中。其中裂变核素i是

裂变核素j是

根据计算结果，如图3所示，拟合出裂变产额之比与铀同位素丰度的关系曲线。

经过拟合，

平均产额比与铀丰度H的关系式如下：

$Y=\stackrel{\‾}{Y}\left(38_{92}\mathrm{Sr}\right)/\stackrel{\‾}{Y}\left(53_{135}I\right)=0.712e^{0.5644H_o}$

将其变化为公式(3)

H_o＝1.7654ln Y+0.6007                            (3)

步骤7，未知样品分析。将丰度为72％左右的未知样品按照上述步骤3～5操作，计算出未知样品的裂变核素

的平均产额后，根据附图3的拟合曲线或公式(3)计算出未知样品丰度为73.01％。

实施例2

实验方法如实施1。不同之处在于，本实施例采用高压倍加器(D，D)产生的2.5～3MeV中子辐照；选取的核素是

经过计算，拟合出附图3的拟合曲线或公式(5)

H_o＝1.3636ln Y-0.2509                          (4)

根据附图3的拟合曲线或公式(4)计算出未知样品丰度为72.83％。

显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，假若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些修改和变型。

Claims (3)

1.一种铀同位素丰度分析方法，采用如下步骤：

步骤1，已知丰度和未知丰度的铀样品制备；

步骤2，铀样品自吸收因子的测定；

步骤3，中子照射，把已知丰度的铀样品依次用单能快中子辐照；

步骤4，γ谱线测定，辐照后，把铀样品依次进行裂变核素γ能量的测定，测定过程中进行自吸收校正；

步骤5，裂变产额计算，根据谱线强度计算裂变核素的平均产额之比；

步骤6，工作曲线拟合，将裂变核素的平均产额之比代入样品丰度与核素平均裂变产额之比的关系式（1）中，拟合出裂变产额之比与铀同位素丰度的关系曲线或关系式，

$\stackrel{\‾}{Y_i}/\stackrel{\‾}{Y_j}=\frac{Y_{235_U^i}{H}_0{\mathrm{\δ}}_{235_U}+Y_{238_U^i}(1-H_0){\mathrm{\δ}}_{238_U}}{Y_{235_U^j}{H}_0{\mathrm{\δ}}_{235_U}+Y_{238_U^j}(1-H_0){\mathrm{\δ}}_{238_U}}---\left(1\right)$

——裂变核素i的平均裂变产额；

——裂变核素j的平均裂变产额；

——²³⁵U裂变后裂变核素i的产额；

——²³⁵U裂变后裂变核素j的产额；

——²³⁸U裂变后裂变核素i的产额；

——²³⁸U裂变后裂变核素j的产额；

H₀——²³⁵U的丰度；

——²³⁵U的裂变截面；

——²³⁸U的裂变截面；

步骤7，待测铀样品分析，将未知丰度的铀样品按照上述步骤3～5操作，计算出相同裂变核素的平均产额之比后，根据步骤6已经拟合的关系曲线或关系式，分析出待测铀样品的铀丰度；

所述的裂变核素的平均产额之比是

或

2.根据权利要求1所述的铀同位素丰度分析方法，其特征在于：所述的单能快中子是由氘氚靶高压倍加器、氘氘靶高压倍加器或密封中子发生器所发出。

3.根据权利要求1所述的铀同位素丰度分析方法，其特征在于：所述的裂变核素的平均产额之比是

或

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