CN106872556A - 一种铀产品生产时间的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于放射性物质分析领域。为解决在难以获取229Th同位素稀释剂的条件下，无法完成铀产品生产时间测量的问题，本发明提供了一种铀产品生产时间的测量方法。该测量方法包括以下步骤：(一)获取铀平衡样品；(二)计算234U的量；(三)加入232Th同位素稀释剂，获取钍平衡样品；(四)计算230Th的量；(五)计算234U/230Th原子数比；(六)计算出铀产品生产时间。本发明的测量方法采用232Th代替现有的229Th作为同位素稀释剂，具有操作方法简单易行，测量准确性高，分析时间短，同位素稀释剂易于获得等优点，适合普通实验室条件下的铀产品生产时间的测量。

Description

一种铀产品生产时间的测量方法
技术领域
本发明属于放射性物质分析领域，特别涉及一种铀产品生产时间的测量方法。
背景技术
在核法证调查和军控核查等领域，铀产品生产时间(即铀年龄)的确定十分重要。例如在核法证调查中，铀产品生产时间能够帮助追溯核材料的来源和可能的生产路线；在军控核查中，铀产品生产时间是区分核武器材料新旧的指标。
实际上，目前的铀产品生产时间主要通过测量234U/230Th原子数比来获取，其主要原理为：向铀产品中加入229Th和233U同位素稀释剂，经过化学分离，分别测量子核(230Th)和母核(234U)的量，来间接得到母子比，从而计算出铀产品生产时间。该方案能够有效克服子体230Th相对于母体核素234U含量过小，因而难以通过直接测量的方式获取子体230Th含量的难题。该方案的具体情况可参考下述两篇文献：Analytica Chimica Acta，599(2007)16–23；Proc.Radiochim.Acta，1(2011)31–35。
然而，229Th同位素稀释剂目前还没有商用产品可供使用，都是具备条件的实验室自制的，其制备过程复杂并且需要标定后使用，导致可用的229Th同位素稀释剂获取门槛过高，使得普通实验室无法通过前述方法来完成铀产品生产时间的测量。
发明内容
为解决在难以获取229Th同位素稀释剂的条件下，无法通过测量234U/230Th原子数比的方式来完成铀产品生产时间测量的问题，本发明提供了一种铀产品生产时间的测量方法。该测量方法包括以下步骤：
(一)从待测铀产品取样，向取得的样品中加入233U作为同位素稀释剂，并使铀同位素达到同位素交换反应平衡状态，得到铀平衡样品；
(二)测量铀平衡样品中的234U/233U原子数比，根据测得的234U/233U原子数比和233U加入比例计算出铀平衡样品中234U的量；
(三)从待测铀产品取样，向取得的样品中加入232Th作为同位素稀释剂，并使钍同位素达到同位素交换反应平衡状态，然后将钍、铀分离，得到钍平衡样品；
(四)测量钍平衡样品中的230Th/232Th原子数比，根据测得的230Th/232Th原子数比和232Th加入比例计算出钍平衡样品中230Th的量；
(五)根据铀平衡样品中234U的量和钍平衡样品中230Th的量以及对应的取样量计算出234U/230Th原子数比；
(六)根据计算出的234U/230Th原子数比，通过铀年龄计算方程计算出铀产品生产时间。
进一步地，所述铀产品可以是铀氧化物、金属铀或其它铀化合物。
进一步地，所述234U/233U原子数比和230Th/232Th原子数比的测量采用ICP-MS法为优选。
进一步地，所述钍、铀分离可以采用溶液的形式在树脂柱上完成。
当铀产品为U3O8时，该测量方法包括以下步骤：
(一)取待测U3O8样品，以硝酸充分溶解，得到含铀母液样品；与此同时，制备一份不加入待测U3O8样品的空白溶液样品；
(二)从含铀母液样品中取样，进行稀释后加入233U，待铀同位素达到同位素交换反应平衡状态后，得到铀平衡样品；与此同时，取一份空白溶液样品，进行稀释后用以扣除本底；
(三)以ICP-MS法测量铀平衡样品中的234U/233U原子数比，根据测得的234U/233U原子数比和233U加入比例计算出铀平衡样品中234U的量；
(四)从含铀母液样品中取样，加入232Th，混匀后加热蒸至近干，以硝酸溶解后转移至树脂柱上，先以硝酸淋洗除去铀，然后以盐酸淋洗收集钍；将收集到的钍蒸至近干，然后以硝酸溶解，重复上柱分离一次，得到除去铀的钍平衡样品；与此同时，取一份空白溶液样品，进行稀释后用以扣除本底；
(五)以ICP-MS法测量钍平衡样品中的230Th/232Th原子数比，根据测得的230Th/232Th原子数比和232Th加入比例计算出钍平衡样品中230Th的量；
(六)根据铀平衡样品中234U的量和钍平衡样品中230Th的量以及对应的取样量计算出234U/230Th原子数比；
(七)根据计算出的234U/230Th原子数比，通过铀年龄计算方程计算出铀产品生产时间。
进一步地，所述树脂柱优选为TEVA树脂柱。
本发明采用了本领域从未应用过的232Th作为同位素稀释剂，同时建立了一套适用的铀产品生产时间的测量方法。由于232Th寿命长，容易获得，因此较好解决了因229Th同位素稀释剂难以获取而对测量产生的制约。
测量过程中，一方面，作为同位素稀释剂加入的232Th的量足以超出天然本底中存在的232Th，使得天然本底的干扰可以忽略不计。另一方面，232Th的加入量也能较好保证230Th/232Th原子数比测量时的上限要求，例如在采用ICP-MS法测量时，容易避免诸如大峰拖尾等问题的产生。
对于最终铀产品生产时间的计算，本发明采用了常规的铀年龄计算方程，该方程如下：
方程中：λ是放射性核素的衰变常数N是测量时刻的放射性核原子数，下标1和2分别代表母核与子核。
本发明的铀产品生产时间的测量方法采用232Th代替现有的229Th作为同位素稀释剂，具有操作方法简单易行，测量准确性高，分析时间短，同位素稀释剂易于获得等优点，适合普通实验室条件下的铀产品生产时间的测量。实际应用表明，对于年龄在50年左右的铀样品，采用本发明的测量方法测得的铀产品生产时间与参考值的偏差在4％以内。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1
称取3.4mg左右U3O8(CRM U010标准物质)粉末，加入10mL 6M的HNO3，加热到90℃溶解过夜，得到溶解好的待测母液。同时以相同过程制备一份空白流程样品。
称取1mL母液逐级稀释100倍，得到20mL稀释液。称取四份3mL稀释液，分别加入0.1mL 2.5087(46)×10-7g/g 233U稀释剂。同时称取3mL空白流程稀释样品，加入0.1mL2.5087(46)×10-7g/g 233U稀释剂。根据MC-ICP-MS测量样品中的234U/233U值及加入233U稀释剂的量可以通过同位素稀释法计算出母液中234U的含量。
取200μL232Th标准溶液逐级稀释20000倍，得到10mL 4.121(35)×10-8g/g 232Th稀释剂。称取四份2mL母液和一份2mL相应空白流程样品，分别加入2mL左右稀释后的232Th稀释剂。混合均匀后，加热蒸至近干，加入1mL 3M HNO3溶液冷却后转移到1.8mL TEVA树脂柱上，树脂柱预先用3mL 8M HCl溶液淋洗和8mL 3MHNO3溶液平衡，先用20mL 3MHNO3溶液淋洗U，再用20mL 8M HCl溶液和4mL 4M HCl溶液淋洗收集Th，流速控制在1mL/min左右，记录分离时刻，作为年龄计算点。将得到的Th组分蒸至近干，连续加入少量浓硝酸分解树脂中流出的有机物，重复上柱分离一次，残余物趁热溶解在1mL 2％HNO3进ICP-MS测量。根据MC-ICP-MS测量样品中的230Th/232Th值及加入232Th稀释剂的量可以通过同位素稀释法计算出母液中230Th的含量。
根据铀年龄计算方程计算得到该U3O8(CRM U010标准物质)粉末的年龄为55.38±1.08年(扩展因子k＝2)，推算出生产时间为1959年2月16日，参考生产时间为1958年6月5日。
实施例2
称取2.5mg左右U3O8(CRM U850标准物质)粉末，加入10mL 6M的HNO3，加热到90℃溶解过夜，得到溶解好的待测母液。同时以相同过程制备一份空白流程样品。
称取0.2mL母液逐级稀释25倍，得到5mL稀释液。称取四份1mL稀释液，分别加入4mL2.573(16)×10-9g/g 233U稀释剂。同时称取1mL空白流程稀释样品，加入4mL2.573(16)×10-9g/g 233U稀释剂。根据MC-ICP-MS测量样品中的234U/233U值及加入233U稀释剂的量可以通过同位素稀释法计算出母液中234U的含量。
取200μL232Th标准溶液逐级稀释20000倍，得到10mL 4.250(36)×10-8g/g 232Th稀释剂。称取四份2mL母液和一份2mL相应空白流程样品，分别加入2mL左右稀释后的232Th稀释剂。混合均匀后，加热蒸至近干，加入1mL 3M HNO3溶液冷却后转移到1.8mL TEVA树脂柱上，树脂柱预先用3mL 8M HCl溶液淋洗和8mL 3MHNO3溶液平衡，先用20mL 3MHNO3溶液淋洗U，再用20mL 8M HCl溶液和4mL 4M HCl溶液淋洗收集Th，流速控制在1mL/min左右，记录分离时刻，作为年龄计算点。将得到的Th组分蒸至近干，连续加入少量浓硝酸分解树脂中流出的有机物，重复上柱分离一次，残余物趁热溶解在1mL 2％HNO3进ICP-MS测量。根据MC-ICP-MS测量样品中的230Th/232Th值及加入232Th稀释剂的量可以通过同位素稀释法计算出母液中230Th的含量。
根据铀年龄计算方程计算得到该U3O8(CRM U850标准物质)粉末的年龄为59.74±0.74年(扩展因子k＝2)，推算出生产时间为1955年12月3日，参考生产时间为1957年12月31日。

Claims (7)

1.一种铀产品生产时间的测量方法，其特征在于该测量方法包括以下步骤：
(一)从待测铀产品取样，向取得的样品中加入233U作为同位素稀释剂，并使铀同位素达到同位素交换反应平衡状态，得到铀平衡样品；
(二)测量铀平衡样品中的234U/233U原子数比，根据测得的234U/233U原子数比和233U加入比例计算出铀平衡样品中234U的量；
(三)从待测铀产品取样，向取得的样品中加入232Th作为同位素稀释剂，并使钍同位素达到同位素交换反应平衡状态，然后将钍、铀分离，得到钍平衡样品；
(四)测量钍平衡样品中的230Th/232Th原子数比，根据测得的230Th/232Th原子数比和232Th加入比例计算出钍平衡样品中230Th的量；
(五)根据铀平衡样品中234U的量和钍平衡样品中230Th的量以及对应的取样量计算出234U/230Th原子数比；
(六)根据计算出的234U/230Th原子数比，通过铀年龄计算方程计算出铀产品生产时间。
2.如权利要求1所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：所述铀产品是金属铀。
3.如权利要求1所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：所述铀产品是铀氧化物或其它铀化合物。
4.如权利要求1所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：所述234U/233U原子数比和230Th/232Th原子数比的测量采用ICP-MS法。
5.如权利要求1所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：所述钍、铀分离采用溶液的形式在树脂柱上完成。
6.如权利要求3所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：当铀产品为U3O8时，该测量方法包括以下步骤：
(一)取待测U3O8样品，以硝酸充分溶解，得到含铀母液样品；与此同时，制备一份不加入待测U3O8样品的空白溶液样品；
(二)从含铀母液样品中取样，进行稀释后加入233U，待铀同位素达到同位素交换反应平衡状态后，得到铀平衡样品；与此同时，取一份空白溶液样品，进行稀释后用以扣除本底；
(三)以ICP-MS法测量铀平衡样品中的234U/233U原子数比，根据测得的234U/233U原子数比和233U加入比例计算出铀平衡样品中234U的量；
(四)从含铀母液样品中取样，加入232Th，混匀后加热蒸至近干，以硝酸溶解后转移至树脂柱上，先以硝酸淋洗除去铀，然后以盐酸淋洗收集钍；将收集到的钍蒸至近干，然后以硝酸溶解，重复上柱分离一次，得到除去铀的钍平衡样品；与此同时，取一份空白溶液样品，进行稀释后用以扣除本底；
(五)以ICP-MS法测量钍平衡样品中的230Th/232Th原子数比，根据测得的230Th/232Th原子数比和232Th加入比例计算出钍平衡样品中230Th的量；
(六)根据铀平衡样品中234U的量和钍平衡样品中230Th的量以及对应的取样量计算出234U/230Th原子数比；
(七)根据计算出的234U/230Th原子数比，通过铀年龄计算方程计算出铀产品生产时间。
7.如权利要求6所述的铀产品生产时间的测量方法，其特征在于：所述树脂柱为TEVA树脂柱。
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