CN104849337A - 一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，包括取样、样品溶解、铅和锂的分离纯化、含锂溶液介质体系转化、库伦分析、质谱分析和数据处理各步骤。本发明具有样品前处理程序简单、分析结果精度较高等优点。由于不直接测氚，不需要将氚从液态铅锂合金中提取释放出来，避免了氚与液态铅锂合金结合较紧密、释放困难的问题。本发明主要测量值为锂的同位素丰度比值，锂原子在系统空间内的扩散、溶解和滞留不会影响液态铅锂合金产氚量的测量结果，因此本发明克服了传统直接测量方法无法计量聚变堆液态铅锂合金包层体系中滞留和渗透氚的问题。

Description

一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法

技术领域

本发明涉及一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，可用于实现液态铅锂合金中子辐照产氚量测量。

背景技术

准确测量聚变堆液态铅锂合金包层的产氚量，是聚变堆氚核材料衡算研究的重要内容，同时可为包层氚的提取、包层氚增殖比计算、聚变反应的燃耗测量等提供监测手段。

传统的氚分析方法应用于测量液态铅锂合金中的氚，一般需要首先将氚从液态铅锂合金中提取释放出来，然后再直接测量氚。但⁶Li与中子作用产生的氚与液态铅锂合金结合较紧密，释放困难，需要特殊的氚提取技术。这种从液态铅锂合金中提取氚的技术，是聚变堆氚回收工艺的研究难点，国内主要有中国工程物理研究院的谢波等老师开展了相关研究，采用的气体鼓泡同位素置换法，目前提取效率理论上能够做到仅约80％。印度巴巴原子研究中心理论研究了气体鼓泡柱法和填实柱法的工作边界条件，认为后者具有更高的回收效率，但是尚未进行实验验证。因此，应用这些需要将氚从液态铅锂合金中提取释放出来的分析方法测量总产氚量是比较困难的。此外，氚扩散能力很强，由于渗透滞留在包层结构材料和包层系统空间的氚，也难于定量分析。因此发展新的液态铅锂合金产氚量分析检测技术很有意义。

为此，本发明提出了一种等效测量的方法，通过测量液态铅锂合金内的锂总量，以及液态铅锂合金产氚前后的锂同位素丰度，理论计算得到液态铅锂合金的总产氚量。这种方法的原理简单，基于⁶Li+n→³H+⁴He反应，每生成一个氚原子必定消耗一个⁶Li原子。因此只要知道聚变堆液态铅锂合金包层的初始金属锂装量和产氚前后的锂同位素丰度，就可以准确计算出液态铅锂合金的产氚量。对于初始金属锂装量，可通过测量液态铅锂合金的总质量和锂浓度得到。对于锂同位素丰度，通过热表面电离质谱法(TIMS)准确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有聚变堆液态铅锂合金增殖包层产氚量分析检测方法的不足，提出一种有效测量方法，实现液态铅锂合金增殖包层产氚量的定量分析。本发明提供的一种测量液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，通过等效测量液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度，计算得到液态铅锂合金样品的累积产氚量。本发明相关技术还可应用于聚变堆液态金属锂包层和陶瓷产氚靶件的产氚量测量。

为了实现上述目标，本发明采取以下的技术方案：一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，其特征在于，包括取样、样品溶解、铅和锂的分离纯化、含锂溶液介质体系转化、库伦分析、质谱分析和数据处理各步骤，各步骤功能和特点如下：

(1)取样步骤实现从液态铅锂合金中代表性取样；

(2)样品溶解采用浓硝酸和氢氟酸体积比为100：1的混合溶液体系溶解样品；

(3)铅和锂的分离纯化采用沉淀工艺；沉淀剂采用浓盐酸；沉淀母液和沉淀的分离采用离心过滤；

(4)含锂溶液介质体系转化采用重复溶解和蒸干的方式；蒸干物的溶解采用浓盐酸；溶解和蒸干步骤的重复次数为两次；最后一次得到的蒸干物采用蒸馏水溶解得到氯化锂溶液；

(5)库伦分析采用控制电位库伦法测量氯化锂溶液中的锂含量；

(6)质谱分析采用热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度；

(7)数据处理采用液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度数据，等效计算得到液态铅锂合金的中子辐照产氚量。

上述的液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，其特征在于，该方法步骤如下：

(1)样品取样

用天平称量拟进行中子辐照的铅锂合金块总质量记为A；对上述铅锂合金块钻孔取样，用分析天平称量样品质量记为m；

(2)样品溶解

将样品用浓硝酸和氢氟酸体积比为100：1的混合溶液体系溶解，得到溶解液；

(3)铅和锂的分离纯化

向溶解液中加入过量的浓盐酸，使溶解液中铅离子转化为氯化铅沉淀，将沉淀母液和沉淀离心5min后过滤分离，得到分离铅后的含锂溶液；

(4)含锂溶液介质体系转化

将分离铅后的含锂溶液加热蒸发至近干；在蒸干物中加入浓盐酸后，再次加热蒸发至近干，重复溶解和加热蒸干步骤两次；向最后一次得到的蒸干物中加入蒸馏水，溶解得到氯化锂溶液；

(5)库伦分析

采用控制电位库伦法，基于法拉第定律，通过测量积分电量计算得到氯化锂溶液中的锂含量记为n；

(6)质谱分析

采用热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度。中子辐照前样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₁、N₁；中子辐照后样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₂、N₂；

(7)数据处理

采用液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度数据，等效计算得到液态铅锂合金的中子辐照产氚量；液态铅锂合金中子辐照产氚量记为C，按照公式 $C=\frac{A\×n}{2m}(1-\frac{N_1(6M_2+7N_2)}{N_2(6M_1+7N_1)})$ 计算得到测量结果。

本发明具有如下优点：

(1)本发明取样量少，测量精度高；

(2)本发明不直接测氚，不需要将氚从液态铅锂合金中提取释放出来，避免了氚与铅锂合金结合较紧密、释放困难的问题；

(3)本发明锂原子基本不会在包层结构材料中扩散、溶解，即使在包层系统空间有滞留，由于测量值为锂的同位素比值，这种扩散、溶解和滞留也不会影响液态铅锂合金产氚量的测量结果；

(4)本发明具有传统质谱法的各种优点，如操作简便、对样品前处理的保护性要求低等。

附图说明

图1为本发明的分析检测方法流程示意图。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施方式，但本发明的实施方式不局限于以下的实施例介绍。

实施例1：

如图1所示，一种测量液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，包括取样、样品溶解、铅和锂的分离纯化、含锂溶液介质体系转化、库伦分析、质谱分析和数据处理各步骤，各步骤如下：

(1)取样步骤实现从液态铅锂合金中代表性取样；

(2)样品溶解步骤实现铅锂合金样品溶解；

(3)铅和锂的分离纯化步骤实现锂和铅的分离；

(4)含锂溶液介质体系转化步骤实现含锂溶液从硝酸介质转化为盐酸介质；

(5)库伦分析步骤实现氯化锂溶液中锂含量测量；

(6)质谱分析步骤实现氯化锂溶液中锂同位素丰度测量；

(7)数据处理步骤实现液态铅锂合金中子辐照产氚量的等效计算。

采用本方法开展样品检测，包含以下分析检测内容：

(1)样品取样

用天平称量拟进行中子辐照的铅锂合金块总质量记为A；对上述铅锂合金块钻孔取样，用分析天平称量样品质量记为m。

(2)样品溶解

再将样品用浓硝酸和氢氟酸体积比为100：1的混合溶液体系溶解，得到溶解液。

(3)铅和锂的分离纯化

向溶解液中加入过量的浓盐酸，使溶解液中铅离子转化为氯化铅沉淀，将沉淀母液和沉淀离心5min后过滤分离，得到分离铅后的含锂溶液。

(4)含锂溶液介质体系转化

将分离铅后的含锂溶液加热蒸发至近干；在蒸干物中加入浓盐酸后，再次加热蒸发至近干，重复溶解和加热蒸干步骤两次；向最后一次得到的蒸干物中加入蒸馏水，溶解得到氯化锂溶液。

(5)库伦分析

采用控制电位库伦法，基于法拉第定律，通过测量积分电量计算得到氯化锂溶液中的锂含量记为n。

(6)质谱分析

采用热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度。中子辐照前样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₁、N₁；中子辐照后样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₂、N₂；

(7)数据处理

采用液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度数据，等效计算得到液态铅锂合金的中子辐照产氚量。液态铅锂合金中子辐照产氚量记为C，按照公式 $C=\frac{A\×n}{2m}(1-\frac{N_1(6M_2+7N_2)}{N_2(6M_1+7N_1)})$ 计算得到测量结果。

实施例2：

对本分析检测方法的不确定度来源进行分析，主要包括3个方面：

(1)控制电位库伦法测量氯化锂溶液中的锂含量，相对标准偏差小于0.5％。

(2)热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度，相对标准偏差小于0.3％。

(3)分析检测方法的重复性标准偏差为0.8％。

对上述3个主要不确定分量进行合成，本发明的分析检测方法，合成相对标准偏差为1％。本发明未详细阐述部分为本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，其特征在于，包括取样、样品溶解、铅和锂的分离纯化、含锂溶液介质体系转化、库伦分析、质谱分析和数据处理各步骤；

(1)取样步骤实现从液态铅锂合金中代表性取样；

(2)样品溶解采用浓硝酸和氢氟酸体积比为100：1的混合溶液溶解样品；

(3)铅和锂的分离纯化采用沉淀工艺，沉淀剂采用浓盐酸，沉淀母液和沉淀的分离采用离心过滤；

(4)含锂溶液介质体系转化采用重复溶解和加热蒸干的方式，蒸干物的溶解采用浓盐酸，溶解和加热蒸干步骤的重复次数为两次，最后一次得到的蒸干物采用蒸馏水溶解得到氯化锂溶液；

(5)库伦分析采用控制电位库伦法测量氯化锂溶液中的锂含量；

(6)质谱分析采用热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度；

(7)数据处理采用液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度数据，等效计算得到液态铅锂合金的中子辐照产氚量。

2.根据权利要求1所述的液态铅锂合金中子辐照产氚量的分析检测方法，其特征在于，该方法步骤具体如下：

(1)样品取样

用天平称量拟进行中子辐照的铅锂合金块总质量记为A；对上述铅锂合金块钻孔取样，用分析天平称量样品质量记为m；

(2)样品溶解

将样品用浓硝酸和氢氟酸体积比为100：1的混合溶液体系溶解，得到溶解液；

(3)铅和锂的分离纯化

向溶解液中加入过量的浓盐酸，使溶解液中铅离子转化为氯化铅沉淀，将沉淀母液和沉淀离心5min后过滤分离，得到分离铅后的含锂溶液；

(4)含锂溶液介质体系转化

将分离铅后的含锂溶液加热蒸发至近干；在蒸干物中加入浓盐酸后，再次加热蒸发至近干，重复溶解和加热蒸干步骤两次；向最后一次得到的蒸干物中加入蒸馏水，溶解得到氯化锂溶液；

(5)库伦分析

采用控制电位库伦法，基于法拉第定律，通过测量积分电量计算得到氯化锂溶液中的锂含量记为n；

(6)质谱分析

采用热表面电离质谱法测量氯化锂溶液中的锂同位素丰度。中子辐照前样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₁、N₁；中子辐照后样品中⁶Li、⁷Li的同位素丰度，分别记为M₂、N₂；

(7)数据处理

采用液态铅锂合金中锂含量和中子辐照前后的锂同位素丰度数据，等效计算得到液态铅锂合金的中子辐照产氚量；液态铅锂合金中子辐照产氚量记为C，按照公式 $C=\frac{A\×n}{2m}(1-\frac{N_1(6M_2+7N_2)}{N_2(6M_1+7N_1)})$ 计算得到测量结果。