用于乏燃料元件燃耗测量的自动化放化分离系统的制作方法与工艺

本发明属于核燃料循环中乏燃料元件燃耗测量技术领域，具体涉及一种用于乏燃料元件燃耗测量的自动化放化分离系统。

背景技术：
燃耗值是评价反应堆物理设计、堆功率分布、堆安全运行、同位素生产以及核燃料元件制造等的一项重要参数，也是改进反应堆燃料性能必不可少的指标。燃耗分析的方法有无损法和破坏性分析法，国际上公认的最准确的燃耗分析方法是破坏性分析法。由于堆型不同、分析目的和要求不一、元件结构、包壳材料、铀浓缩度、堆运行工况等各不相同,燃耗测定方法也有所不同。但无论采取哪种方案，破坏性分析法测定燃耗都需要把元件加以切割、溶解,然后从具有众多核素的元件溶解液中分离出监测体核素。目前公开的用于燃耗测定的放化分离系统的文献较少，有些文献公开了放化分离方法，但是均存在以下缺点：1)技术环节多、分离流程繁琐，造成一次燃耗测量需要30多人参加；2)分离方法采用手动操作，造成研究人员所受剂量大(达数百居里)，分离过程的收率、去污因子等不一致等问题。3)耗时长。一次燃耗测量耗时长达1年以上，不能满足核电高速发展对元件燃耗快速测量的需求。燃耗测量的自动化放化分离系统可以解决上述问题，有关这方面的工作国内外均未见报道。

技术实现要素：
(一)发明目的根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种能够对Pu、U、Mo、Nd、Cs五种监测体核素同时进行分离、分离时间短、分离系统简单且能实现自动化的放化分离系统。(二)技术方案为解决现有技术所存在的问题，本发明是通过以下技术方案实现的：用于乏燃料元件燃耗测量的自动化放化分离系统，该系统由溶解单元、调料单元、分离单元及控制系统组成，溶解单元、调料单元和分离单元通过料液输送管连接；其中，溶解单元包括溶解器，溶解器为双层且带有三颈的圆瓶状结构，其中一颈和冷凝管相连，一颈放置底部为蜂窝状结构的投料管，另一颈内插入料液输送管实现溶解器和调料单元的连接；溶解器的内层盛装用于溶解乏燃料元件的溶解液，外层用于盛装高温水或冷却水；分离单元主要包括Mo分离柱、Nd分离柱、Pu分离柱、U分离柱及Cs检测单元，其中Mo分离柱为SiO2-P-α-安息香肟树脂柱，Nd分离柱为HZ-001型树脂柱、Pu分离柱为N256阴离子树脂柱、U分离柱为TBP树脂柱，Cs检测单元主要为γ探测器；调料单元包括用于浓度稀释的浓度稀释器、用于同位素稀释的同位素稀释器、Pu调料槽、U调料槽、Nd调料槽、电磁阀及向料液提供动力的蠕动泵，其中Pu调料槽、U调料槽和Nd调料槽的开关由电磁阀控制，浓度稀释器和同位素稀释器通过蠕动泵和料液输送管串联连接；乏燃料元件在溶解器里溶解后经蠕动泵泵至浓度稀释器，经浓度稀释后经蠕动泵泵至同位素稀释器，经同位素稀释器稀释后的料液分为5份，其中一份料液经Nd调料槽调料后进入Nd分离柱，一份料液经Pu调料槽调料后去往Pu分离柱，一份料液经U调料槽调料后进入U分离柱，另2份料液可分别直接进入分离单元的Mo分离柱和Cs检测单元；控制系统由控制箱和计算机组成，通过控制系统控制溶解单元、调料单元中高温水浴槽、低温水浴槽、蠕动泵和电磁阀的开关，实现对该分离系统的远程控制和自动化操作。优选地，所述溶解器内层盛装的溶解液为王水；溶解器外层设置有进、出接口，用于连接溶解器外的高温水浴槽和低温水浴槽；其中高温水浴槽和低温水浴槽提供的水温分别为75～90℃和20～30℃，实现在溶解开始时加热溶解液，溶解结束后，快速冷却溶解液。优选地，在所述同位素稀释器里同时加入已知含量的233U、242Pu、92Mo、150Nd四种同位素稀释剂。优选地，所述调料单元的浓度稀释器里加入的为0.8mol/LHNO3，溶解液与加入的硝酸的体积比为约为1:200。优选地，冷凝管上端通过管道和缓冲瓶及集液瓶相连，防止乏燃料元件溶解过程中溶解液挥发到环境中。优选地，溶解器放置在磁力搅拌器上，通过搅拌作用使元件快速溶解，并保证溶解液浓度均匀。优选地，所述溶解器为玻璃材质，投料管为聚四氟乙烯材质。优选地，Pu调料槽由3个贮槽组成，分别放置浓度为0.1mol/L的Fe(NH2SO3)2溶液、饱和NaNO2溶液及浓度为10mol/L的硝酸；调料时先打开盛装有Fe(NH2SO3)2溶液的贮槽的开关，使Pu完全被还原到三价，然后打开盛装有饱和NaNO2溶液贮槽的开关使Pu(Ⅲ)被完全氧化到Pu(Ⅳ)，再打开盛装有硝酸的贮槽的开关，使料液调节为7.2mol/LHNO3介质。优选地，U调料槽由2个贮槽组成，分别放置浓度为0.05mol/L的Fe(NH2SO3)2溶液和浓度为8mol/L的硝酸；调料时先打开开盛装有Fe(NH2SO3)2溶液的贮槽的开关，使Pu完全被还原到三价，然后打开盛装有硝酸的贮槽的开关，使料液调节为4mol/LHNO3介质。优选地，Nd调料槽里盛装有硝酸-草酸铵溶液，通过电磁阀打开该调料槽的开关，将料液调节为0.35mol/L硝酸-0.05mol/L草酸铵介质。(三)有益效果利用本发明提供的自动化放化分离系统，可对乏燃料元件中的监测体核素同时进行浓度稀释、同位素稀释及分离操作。该系统具有结构简单、分离过程耗时短且能实现自动化操作的特点，同时还能够大大降低操作人员所受辐射剂量，进一步解释为：1)溶解速度快、效果好。在溶解单元，本申请提供了双层三颈的溶解器，溶解器内层盛装王水作为溶解液，外层连接高温水浴槽和低温水浴槽，分别用于溶解时加热溶解液和溶解后溶解液的冷却，缩短了乏燃料元件的溶解和料液转移时间。溶解器的一颈连接有缓冲瓶和集液瓶，有效防止了元件溶解过程中溶解液挥发至环境中。此外，投料管的底部为蜂窝状，易于投料且保证了乏燃料元件和王水充分接触。2)同时调料和分离，耗时短、人力消耗小。在调料单元，先对料液进行硝酸稀释和同位素稀释，然后再把料液分成五份分别过柱，通过分别测量产品中U、Pu以及监测体核素98Mo、148Nd与相应同位素稀释剂的比值，获得分样与总量之间的比例关系，代替了传统的先把料液分成若干份再进行调料、分离的操作，缩短了调料时间，节约了人力消耗。3)溶解、调料、分离过程均在控制系统控制下完成，操作更加精准且降低了工作人员所受放射性剂量。附图说明图1是溶解单元结构示意图；其中1是溶解器；2是投料管；3是与调料单元连接的料液输送管；4是冷凝管；5是缓冲瓶；6是集液瓶；7是循环泵；8是低温水浴槽；9是高温水浴槽；10是磁力搅拌器；图2是调料单元结构示意图；其中1是溶解单元，2是蠕动泵，3是浓度稀释器，4是同位素稀释器，5是Mo分离柱，6是Cs检测单元，7是Pu调料槽，8是U调料槽，9是Nd调料槽，10是电磁阀，11是与Pu分离柱连接的管线，12是与U分离柱连接的管线，13是与Nd分离柱连接的管线，14是Pu料液容器，16是磁力搅拌器。具体实施方式下面结合具体实施例和说明书附图对本明作进一步阐述。实施例1用于乏燃料元件燃耗测量的自动化放化分离系统，如图1和图2所示。该系统由溶解单元、调料单元、分离单元及控制系统组成，溶解单元、调料单元和分离单元通过料液输送管连接；其中，溶解单元如图1所示，包括溶解器1，溶解器1为双层且带有三颈的圆瓶状结构，其中一颈和冷凝管4相连，冷凝管4上端通过管道和缓冲瓶5及集液瓶6相连，防止乏燃料元件溶解过程中溶解液挥发到环境中；一颈放置底部为蜂窝状结构的投料管2，另一颈内插入料液输送管3实现溶解器1和调料单元的连接；溶解器1的内层盛装用于溶解乏燃料元件的溶解液，外层用于盛装高温水或冷却水；溶解器内层盛装的溶解液为王水；溶解器外层设置有进、出接口，用于连接溶解器1外的高温水浴槽9和低温水浴槽8；其中高温水浴槽9和低温水浴槽8提供的水温分别为90℃和20℃，实现在溶解开始时加热溶解液，溶解结束后，快速冷却溶解液。溶解器1放置在磁力搅拌器10上，通过搅拌作用使元件快速溶解，并保证溶解液浓度均匀。溶解器为玻璃材质，投料管为聚四氟乙烯材质。分离单元主要包括Mo分离柱、Nd分离柱、Pu分离柱、U分离柱及Cs检测单元，其中Mo分离柱为SiO2-P-α-安息香肟树脂柱，Nd分离柱为HZ-001型树脂柱、Pu分离柱为N256阴离子树脂柱、U分离柱为TBP树脂柱，Cs检测单元主要为γ探测器；调料单元，如图2所示，包括用于浓度稀释的浓度稀释器3、用于同位素稀释的同位素稀释器4、Pu调料槽7、U调料槽8、Nd调料槽9、电磁阀10及向料液提供动力的蠕动泵2，其中Pu调料槽7、U调料槽8和Nd调料槽9的开关由电磁阀10控制，浓度稀释器3和同位素稀释器4通过蠕动泵和料液输送管串联连接。浓度稀释器3里加入的为0.8mol/LHNO3，溶解液与加入的硝酸的体积比为约为1:200，同位素稀释器4里同时加入已知含量的233U、242Pu、92Mo、150Nd四种同位素稀释剂。乏燃料元件在溶解器1里溶解后经蠕动泵泵至浓度稀释器3，经浓度稀释后经蠕动泵泵至同位素稀释器4，经同位素稀释器4稀释后的料液分为5份，其中一份料液经Nd调料槽9调料后进入Nd分离柱，一份料液经Pu调料槽7调料后去往Pu分离柱，一份料液经U调料槽8调料后进入U分离柱，另2份料液可分别直接进入分离单元的Mo分离柱5和Cs检测单元6；Pu调料槽由3个贮槽组成，分别放置浓度为0.1mol/L的Fe(NH2SO3)2溶液、饱和NaNO2溶液及浓度为10mol/L的硝酸；调料时先打开盛装有Fe(NH2SO3)2溶液的贮槽的开关，使Pu完全被还原到三价，然后打开盛装有饱和NaNO2溶液贮槽的开关使Pu(Ⅲ)被完全氧化到Pu(Ⅳ)，再打开盛装有硝酸的贮槽的开关，使料液调节为7.2mol/LHNO3介质。U调料槽由2个贮槽组成，分别放置浓度为0.05mol/L的Fe(NH2SO3)2溶液和浓度为8mol/L的硝酸；调料时先打开盛装有Fe(NH2SO3)2溶液的贮槽的开关，使Pu完全被还原到三价，然后打开盛装有硝酸的贮槽的开关，使料液调节为4mol/LHNO3介质。Nd调料槽里盛装有硝酸-草酸铵溶液，通过电磁阀打开该调料槽的开关，将料液调节为0.35mol/L硝酸-0.05mol/L草酸铵介质。控制系统由控制箱和计算机组成，通过控制系统控制溶解单元、调料单元中高温水浴槽、低温水浴槽、蠕动泵和电磁阀的开关，实现对该分离系统的远程控制和自动化操作。利用该系统进行乏燃料元件的自动化放化分离的操作步骤为：1)实验前的准备。在溶解器中加入140～150mL王水；集液瓶中分别加入HNO3、NaOH。在浓度稀释器中加入50mL0.8mol/LHNO3；在同位素稀释器中加入5mL233U、242Pu、92Mo、150Nd同位素稀释剂共5ml；Pu调料槽中分别加入0.2mol/LFe(NH2SO3)2、饱和NaNO2溶液、浓硝酸；U调料槽中分别加入0.2mol/LFe(NH2SO3)2、8mol/LHNO3；Nd调料槽中加入0.1mol/L草酸铵。高温水浴槽水浴温度设置为75℃，蠕动泵流速设置为5mL/min。2)自动化分离系统的运行。自动化分离系统验证时，用冷铀块考验溶解单元。溶解后，加入一定量的元件溶解液，考察对各元素的分离效果。具体操作过程如下所述。将某元件冷铀块投入到溶解器中，90℃水浴加热60分钟，元件溶解完全。关闭恒温水浴槽。打开循环泵，低温水进入溶解器外层，20min后冷却至室温。打开蠕动泵，1mL冷元件溶解液进入浓度稀释器中；打开蠕动泵，5mL同位素稀释剂进入同位素稀释器中。在蠕动泵的作用下，取五份溶液，每份取样量1mL，分别进行Cs、U、Pu、Mo、Nd的测量或分离。待分离料液进入U、Pu、Mo、Nd的分离单元，分离后的产品进行质谱测量、HPGeγ谱仪和液体闪烁谱仪测量。电磁阀、蠕动泵、及高、低温水浴槽的开关通过远程控制系统控制通断。3)测试结果以该溶解液为主要对象，采用本发明的自动化放化分离系统进行分离，分别采用质谱、液闪和γ能谱仪分析产品。全流程操作可在8小时内完成。U产品的测量结果根据HPGe测量U样品的数据，计算分离流程对Cs的去污因子。根据液闪测量U样品的数据，计算分离流程对Pu的去污因子。U的分离流程对Cs、Pu的去污因子分别为3×104、5×103，满足需求。根据质谱(ICP-MS)测量U样品的数据，计算元件溶解液中U浓度为447mg/g。铀的化学收率为95％。Pu产品的测量结果根据HPGeγ测量Pu样品的数据，计算出分离流程对137Cs的去污因子为1.4×104，根据液闪测量Pu样品的数据，计算Pu产品的241Pu为11ng。根据质谱(ICP-MS)测量Pu样品的数据，计算元件溶解液中Pu浓度为153μg/g。Pu的化学收率为91％。Mo产品的测量结果从HPGe测量除了Mo的γ能峰外，没有发现其他能峰，对137Cs的去污大于1×107。据质谱(ICP-MS)测量Mo的收率大于98％，可以满足实验要求。Nd产品的测量结果在HPGe测量中得到对137Cs的去污因子大于106。在质谱测量中，收率为88.5％，得到原始元件溶解液中148Nd的浓度为137.6ppb。以上测试结果表明，经过分离后，四种产品均可满足质谱测量的要求。该装置可以用于乏燃料燃耗测量中U、Pu、Mo、Nd的分离。实施例2与实施例1的装置和操作方法相同，不同的是高温水浴槽的温度为75℃，低温水浴槽的温度为25℃。