x 射线光谱分析技术进展及其在

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1、X射线光谱分析技术进展及其在后处理厂中的应用金立云，黄清良，郑维明（中国原子能科学研究院放射化学研究所，北京102413）摘要：文章介绍X射线光谱分析技术的一系列重要进展，以及它们在乏燃料后处理厂工艺控制分析和核物料衡算上的应用，其中包括中国原子能科学研究院在该领域取得的多项优秀成果。并对中国原子能科学研究院下一步应如何开展X射线光谱分析技术研发提出建议，供我国正在筹建的商业后处理厂借鉴。关键词：X射线光谱分析；乏燃料后处理；锕系元素；工艺控制分析；核物料衡算。1引言新世纪以来，随着我国经济和社会的快速发展，能源和环境已日益成

2、为制约因素。为此，国家出台了一系列重大政策措施，用以不断增加能源供应，降低能源消耗，调整能源结构，减少污染物排放。在这种大趋势推动下，我国的核电发展战略已从“适度发展”调整为“积极推进”。与此相应，新调整的《核电中长期发展规划(2005～2020)》提出：我国的核电装机容量将从目前的900万kW，提高到2020年的7000万kW，在全国总装机容量中的比例将从目前的1.3％，提高到2020年的4％，据此推算，每年从核电站卸下的乏燃料元件，也将从目前的270t，增加到2020年的2100t。为实现核燃料“闭合循环”，我国在抓紧调试

3、乏燃料后处理中试厂的同时，正准备采取“引进，消化、吸收，再创新”的方针，于2020年前后建成乏燃料后处理大厂。根据有关设计资料，核电站（LWR）燃料元件芯体为3％～5％235U烧结UO2，包壳材料为锆合金，燃耗深度为33000～46000MWd/tU。迄今国际上普遍采用PUREX工艺进行后处理：首端用剪切机将元件剪成小块，在溶解器中用沸硝酸浸取溶解芯体，除去不溶的包壳材料，调节成1AF料液；主工艺采用30％TBP-正烷烃混合物萃取除去裂变产物，并实现U、Pu分离和纯化；尾端采用流化床脱硝，制成U、Pu混合氧化物（MOX）和UO

4、2产品。为保证后处理工艺安全、可靠、稳定地运行、必须及时获取成分数据。因此，分析被喻为工艺的“眼睛”。在乏燃料后处理工艺中，要分析和测定的项目很多，范围很宽。首端包括元件溶解终点的测定，锆包壳中残铀量的测定，元件芯块不溶物分析，溶解尾气分析等；主工艺包括HNO3浓度，U、Pu、Np浓度，价态及同位素丰度，裂变产物种类及活度、氧化剂和还原剂浓度，溶剂降解产物，中子毒物，腐蚀产物等；尾端包括U、Pu、Np产品的纯度及放射性和非放射性杂质含量等。所有这些分析中，U、Pu、Np等元素浓度及同位素丰度分析是最重要的，因为这些数据直接关系

5、核燃料的准确衡算和核工艺的临界安全，其分析工作量约占分析工作总量的70％。由于后处理工艺溶液放射性强，极毒超铀元素含量高，所以要求分析方法在准确可靠前提下，确保操作安全，尽可能实现无损和自动分析。上世纪80年代以来，为适应后处理工艺分析和核物料衡算的需要，X射线光谱分析技术取得了飞速发展，从法国UP3厂和新近准备投入商业运行的日本六个所后处理厂（RokkashoReprocessingPlant）可以看出，X射线光谱分析已发展成为后处理工艺中U、Pu、Np浓度以及与γ谱结合测定U、Pu同位素丰度的一种关键分析技术。2X射线光谱

6、分析的原理及特点1895年德国科学家伦琴发现X射线。X射线是一种波长在0.1～100Å之间的电磁波，具有波动和微粒两重性，伦琴因此有幸成为首位物理学诺贝尔奖得主。1913年莫斯莱发现荧光X射线波长与原子序数的平方根成反比，其数学关系式为：入＝K(Z－S)-2，这就是著名的莫斯莱定律。式中K和S是常数。因此，只要测量出荧光X射线的波长或频率，就可以得知元素的种类。再从荧光X射线的强度，就可以求出该元素的含量。这就是X射线荧光分析进行定性和定量分析的理论基础，所以是莫斯莱开创了X射线光谱分析这门学科。X射线光谱分为X射线吸收光谱和

7、X射线发射（或荧光）光谱两个分支。前者利用X射线光度吸收原理（特别是K-或L-吸收边），对重元素进行定性和定量分析；后者则利用受激原子内层电子跃迁产生特征X射线，对周期表中Na（Z＝11）以上元素进行定性和定量分析。X射线光谱仪由激发光源、分光部件和探测系统3大部分组成。用分析晶体（例如LiF）作分光元件的仪器称为波长色散X射线光谱仪（WDXRF）；用正比探测器（例如Si(Li)）及电子学线路作分光元件的仪器，称为能量色散X射线谱仪（EDXRF）。这两类谱仪，前者的特点是分辨率高，但探测效率低，一般只能进行顺序多元素分析，不能

8、进行多元素同时分析，仪器结构复杂，价格较贵；后者分辨率较差，但探测效率高，可以方便地进行多元素同时分析，仪器结构紧凑，价格相对便宜。随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，X射线光谱仪的机械化、自动化程度不断提高。据统计，目前世界上在用WDXRF和EDXRF仪双双超过15