CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
钍基熔盐堆燃料及干法处理中的分析方法研究
丛海霞
Subtype博士
Thesis Advisor张岚
2020-08-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword钍基熔盐堆 核燃料原料盐 干法后处理 杂质 电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)
Abstract钍基熔盐堆用燃料盐由7Li F、BeF2、ZrF4、UF4和ThF4等氟化物原料盐按一定比例、一定工艺混合组成。原料盐的质量在一定程度上影响燃料盐的配制工艺,并影响反应堆的中子经济性。因此,需要从原料盐开始就进行质量控制,建立可靠、方便的质量分析方法是重中之重。另一方面,熔盐堆在运行一段时间后,会产生少量的锕系转换产物和裂变产物(10-5~10-8);干法后处理不仅可以清除燃料盐中的部分中子毒物以使反应堆保持运转,同时还可以有效地提取易裂变材料或其前体。裂变产物在燃料盐干法后处理流程的走向是评估干法后处理流程的关键指标,因此,建立可靠的分析方法是确定流程和工艺研究的前提与保障。作为熔盐堆燃料盐的组成部分,原料盐和干法后处理对象的特殊性或分析的困难主要在于:(1)所关注的杂质种类多,包括碱金属、碱土金属、稀土元素和各种含氧酸根等;(2)氟化物溶解性差,特别是缺少ThF4和氟化稀土(ReFx)的溶解方法;(3)分析对象中所含元素的浓度范围宽(10-1~10-9);(4)核材料中重元素铀和钍都是多光谱线元素,在采用电感耦合等离子体光谱法(ICP-OES)分析痕量杂质时常常会产生来自基体光谱线的干扰。因此,在分析之前往往需要采用专门的分离方法以除去大量的基体元素,而化学分离不可避免地会丢失部分杂质,或者引入一些外来杂质,使得核材料中能够被有效分析的杂质种类数受到一定的限制。本课题根据熔盐堆用原料盐质量控制和干法后处理流程评估的需求,从简化前处理流程和多元素同时分析的角度出发:开展了原料盐标准加入法-电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析痕量杂质的方法研究,并系统评估了所建立的无需基体分离、直接测定的分析流程;针对干法后处理流程评估样品,系统研究了ICP-OES中的光谱干扰和ICP-MS中的质谱干扰等问题,建立了不同浓度样品直接测定的分析方法。主要研究内容如下:1、微波消解-标准加入-ICP-MS法同时直接测定UF4中42种痕量杂质的研究。结果表明微波消解UF4简单、快速、有效;标准加入法可有效修正ICP-MS的基体抑制效应。采用标准物质验证了方法的准确性,加标回收率在92%~111%之间,相对标准偏差低于10%,检出限在0.0004~0.072μg.g-1之间。2、微波消解和加热板赶酸相结合-标准加入-ICP-MS法同时直接测定ThF4中40种痕量杂质的研究。结果表明通过四次15 mL硝酸微波消解和加热板赶酸相结合的方法,可使0.1g难溶性ThF4样品溶解完全。加标0.1μg.g-1(Bi加标10μg.g-1)回收率在85%~111%之间,相对标准偏差低于10%,表明该分析流程在痕量水平有较好的准确性和重复性。方法检出限在0.0001~0.08μg.g-1之间。3、ICP-MS直接同时分析LiF/BeF2/ZrF4中15种痕量稀土杂质的研究。针对ZrF4对稀土测试干扰优选了质量数,方法检出限在0.0003~0.009μg.g-1之间,在不同稀土杂质水平下(0.05、0.1和1.0μg.g-1)的加标回收率均在85%到111%之间,相对标准偏差优于10%。通过对原料盐中稀土杂质含量进行不确定度评估,分析了不确定度的来源,其中样品的制备、标准物质、标准曲线的拟合以及样品的重复实验是不确定度的主要来源,且样品制备过程对分析结果影响很大。4、针对钍基熔盐堆干法后处理流程中关键工艺段——铀氟化挥发工艺和减压蒸馏工艺,系统开展了工艺段进料和出料的溶解和分析方法的研究,分析对象包括模拟辐照后燃料盐、六氟化铀产物、氟化挥发剩余盐(减压蒸馏原料盐)、减压蒸馏回收盐和减压蒸馏剩余盐等。针对辐照后燃料盐和氟化挥发剩余盐(减压蒸馏原料盐),研究了ICP-OES中的光谱干扰和ICP-MS中的质谱干扰等问题;针对不同浓度的元素浓度采用了不同的分析方法,考察了方法检出限、分析灵敏度、线性系数、加标回收率和方法适用范围等要素,优选了光谱谱线和质谱的质量数,覆盖了待测元素浓度从10-8到10-1的检测,裂片元素检出限在10-7~10-8之间。
Pages153
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32440
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
丛海霞. 钍基熔盐堆燃料及干法处理中的分析方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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