一種輻照低濃鈾箔靶件鈾箔溶解裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于放射性物質(zhì)溶解領(lǐng)域，具體設(shè)及一種福照低濃軸錐祀件軸錐溶解裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 99m〇是一種人工放射性核素，半衰期為66h，衰變得到""TcD^mTc是現(xiàn)代核醫(yī)學(xué)中應(yīng) 用最廣泛的同位素，"mjc藥物占臨床用放射性診斷藥物的80% W上。
[0003] "Mo可W通過(guò)多種方式獲得:①?gòu)?35U裂變產(chǎn)物中提取，核反應(yīng): 235U(n，f)99Mo;② 熱中子福照鋼-98,核反應(yīng):98Mo(n，丫）"Mo;③加速器質(zhì)子誘發(fā) 238U裂變，核反應(yīng): 238U(p，f) 99Mo;④加速器福照鋼，核反應(yīng):ι^Μ〇(ρ，ηρ) 99Μο。雖然有多種途徑和技術(shù)可W生產(chǎn)，得到高 比活度產(chǎn)物的主要途徑是反應(yīng)堆福照軸-235通過(guò)裂變反應(yīng)生成"Mo和其他產(chǎn)物，"Mo占裂 變產(chǎn)物的6.1 % (質(zhì)量百分比）。
[0004] 軸祀(235U)入堆后在熱中子的作用下會(huì)發(fā)生裂變反應(yīng)，反應(yīng)截面為58化(針對(duì)"Mo 而言）。裂變反應(yīng)方程式為：
[000引 235化0 一 236U 一 99M0+134gn+化
[0006] 盡管利用高濃軸化EU)大規(guī)模生產(chǎn)裂變"Mo仍是目前全球"Mo的主要來(lái)源，但由于 肥U是核武器材料，其使用受到核不擴(kuò)散條約(NPT)的限制。為了防止核擴(kuò)散，近年國(guó)際原子 能機(jī)構(gòu)和美國(guó)積極推動(dòng)應(yīng)用低濃軸(LEU)生產(chǎn)裂變"Mo的技術(shù)，使之成為全球裂變"Mo生產(chǎn) 的發(fā)展趨勢(shì)。肥U和L抓祀件的主要區(qū)別如表1所示。
[0007] 表1:肥U和LEU祀件的比較 [000引
[0009]從表1可見(jiàn)，使用低濃軸祀件與高濃軸祀件生產(chǎn)裂變"Mo的主要區(qū)別在于:若生產(chǎn) 同樣量的"Mo，低濃軸（軸235含量<20%)祀中軸的含量為高濃軸（軸235含量>93%)祀件的 5-6倍; 239化含量增加20-30倍。要保持"Mo產(chǎn)率和純度，保證經(jīng)濟(jì)效益，U量的增大給制祀和 溶祀工作帶來(lái)了難題。
[0010] 高濃軸祀件主要有U-Al彌散體或U-Al合金祀，祀件的溶解主要是A1與溶解液的反 應(yīng)。因?yàn)锳1是活潑的兩性金屬，肥啤E件用化0H溶液溶解，當(dāng)外層的Ξ氧化二侶純化膜被溶 解后，A1的反應(yīng)劇烈，只需對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制。而低濃軸錐祀件是對(duì)軸錐的溶解，軸的化學(xué)性 質(zhì)活潑，可溶解于酸，在無(wú)氧化劑存在時(shí)，對(duì)堿性溶液呈惰性。軸錐溶解于酸的反應(yīng)是吸熱 反應(yīng)，溶解速率與溫度、壓力和酸度有關(guān)。在低濃軸錐祀件的軸錐溶解中需要考慮更多的安 全問(wèn)題，如:反應(yīng)效應(yīng)、原子核熱效應(yīng)、祀件中產(chǎn)生的放射性活度、溶解產(chǎn)生的氣體壓力等都 是溶解器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問(wèn)題。
[0011] 為了避免硫酸溶解低濃軸錐祀件產(chǎn)生的放射性廢物處理難的問(wèn)題，軸錐的溶解采 用硝酸溶解的方式。在酸性溶液中，金屬軸及其氧化物是一個(gè)強(qiáng)還原劑，很容易被氧化成四 價(jià)或六價(jià)。主要的化學(xué)反應(yīng)方程式為：
[0014] 金屬軸錐的溶解反應(yīng)速度依賴于H+濃度。金屬軸溶解比U〇2多產(chǎn)生3倍的N0,產(chǎn)生氣 體的壓力增大；用硝酸溶祀過(guò)程中無(wú)此產(chǎn)生;體系中可能的氣體有NO和祀件溶解產(chǎn)生的放 射性氣體。
[0015] 軸在水溶液中有四種氧化態(tài)，W離子形式存在的四種氧化態(tài)在水溶液中的氧化還 原反應(yīng)、水解反應(yīng)和配位反應(yīng)是溶祀器的設(shè)計(jì)必須考慮的問(wèn)題。
[0016] 氧化還原反應(yīng)(aA+ne = bB，η為電子遷移數(shù))的電位E可W由化rns t方程式來(lái)表示：
[0017]
[0018] 式中日4為溶液中氧化態(tài)4的活度，加為還原態(tài)8的活度，6*^為標(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電位，尺 和F分別為氣體常數(shù)和法拉第常數(shù)，E與溫度有關(guān)系。在酸性介質(zhì)中，如25°C，lmol/L HC1化 溶液中，各種軸離子的標(biāo)準(zhǔn)氧化-還原電位6*^。
[0019]
[0020] 護(hù)+是強(qiáng)還原劑，即便是在酸性溶液中也非常不穩(wěn)定。由于U0227U4+的ED(0.58v)比 1]〇2 2711〇22+的6*^(0.063V)高，在酸性介質(zhì)中11〇2+易發(fā)生歧化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：
[0021]
[0022] U化+離子在溶液pH值為2-2.5范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，酸度的增加或降低都不利于溶解完 全。因?yàn)?，酸度增?U〇2+易發(fā)生歧化反應(yīng)，溶液pH值升高會(huì)導(dǎo)致U4+和U022+的水解。
[0023] IJ4++出 0 = U(0H)3++H+
[0024] 隨著溶液抑值增加，U4+與U(0H)3+可形成聚合體，然后進(jìn)一步形成多核離子U[(0H) 如]和聚合物[U(0H)4]n。運(yùn)些聚合物分子量大，一般難溶于酸。U02 2+的水解是個(gè)很復(fù)雜 的過(guò)程，存在一系列的水解并伴隨反應(yīng)產(chǎn)物的聚合，最終生成軸酸、多軸酸和氨氧化物沉 淀。產(chǎn)生運(yùn)些聚合物或沉淀對(duì)祀件溶解是很不利的，應(yīng)該通過(guò)裝置設(shè)計(jì)控制反應(yīng)條件W避 免。選擇不誘鋼材質(zhì)，在祀件溶解時(shí)應(yīng)用HN03并控制酸度，確定溶解后溶液中不需要的化學(xué) 物種或復(fù)合物w及溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，使軸祀溶解完全。
[0025] 根據(jù)水溶液中軸離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)如表2所示。
[0026] 表2:水溶液中軸離子的熱力學(xué)數(shù)據(jù)
[0027]
[002引注:表中Δ Η為洽變，A S為賭變
[0029] 從表中數(shù)據(jù)可知，若Δ G= Δ H-T Δ S〉0，U(V)生成U(VI)不能自發(fā)進(jìn)行，溶解在等容 條件下進(jìn)行，促進(jìn)u(v)生成U(VI)只能改變體系的溫度和壓力。
[0030] 福照后低濃軸錐溶解后會(huì)產(chǎn)生氣體，體系中可能存在的氣體有NO、M)2、i33Xe、 i35Xe、i"I、i33巧日85Kr等。運(yùn)些氣體生成后都在密閉的溶解器中，給溶解體系增加了壓力，通 過(guò)控制溶解時(shí)的壓力為2atm，使溶解加速。當(dāng)控制溶解溫度為100°C，溶解壓力為2atm，溶解 60g軸錐祀件為例，溶解密閉系統(tǒng)的總賭變?chǔ)?S= Δ詢琢+ Δ S^i，根據(jù)下式計(jì)算：
[0031]
[0032] 式中Cv. m = 0.12KJ/kg. K，為軸的等體積下熱容量。
[0033] Δ S= Δ她1+Δ S職=0.043kJ.mol-i，在體積不變的情況下，提高溶解溫度使AG< 0，使溶解反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，利于溶解完全。當(dāng)控制溶解溫度為100°C，ΔG=ΔH-TΔS = -3.04kJ. mo rkO，避免歧化反應(yīng)發(fā)生，促進(jìn)U完全溶解為U022+。
[0034] 綜上所述，低濃軸錐祀件軸錐溶解器要具備控溫、承壓和凈化放射性廢氣的能力， W達(dá)到軸錐完全溶解，并將有用氣體回收，達(dá)標(biāo)氣體排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0035] 針對(duì)低濃軸組分的組成特點(diǎn)、軸的水溶液化學(xué)性質(zhì)和不同價(jià)態(tài)之間的轉(zhuǎn)化性質(zhì)， 本發(fā)明提供一種福照低濃軸錐祀件軸錐溶解裝置，能夠使低濃軸錐快速溶解，并對(duì)體系中 產(chǎn)生的氣體廢物進(jìn)行處理、儲(chǔ)存，保障溶解過(guò)程中氣體安全排放。
[0036] 為達(dá)到W上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:提供一種福照低濃軸錐祀件軸錐溶 解裝置，包括溶解器，所述溶解器的底部設(shè)有加熱器，溶解器內(nèi)穿設(shè)有進(jìn)液管線、氣體吸收 管線W及出液管線;所述氣體吸收管線上依次設(shè)有限壓?jiǎn)蜗蜷y、氣體吸收單元和氣體儲(chǔ)存 單元;所述氣體吸收管線的進(jìn)氣端設(shè)有限壓?jiǎn)蜗蜷y。
[0037] 進(jìn)一步，在氣體吸收單元兩端的管線之間設(shè)有輔助氣路管線，所述輔助氣路管線 上設(shè)有堿吸收柱。
[0038] 進(jìn)一步，所述進(jìn)液管線上設(shè)有用于將溶解器內(nèi)的氣體趕出的進(jìn)氣管線。
[0039] 進(jìn)一步，所述氣體吸收單元包括依次設(shè)置的Ξ級(jí)串聯(lián)堿吸收柱、分子篩柱、兩級(jí)串 聯(lián)活性炭吸收柱、吸氣劑柱W及惰性氣體吸收柱;Ξ級(jí)串聯(lián)堿吸收柱內(nèi)置氨氧化鋼溶液，用 于吸收溶解過(guò)程中釋放的艦及揮發(fā)的酸性氣體;分子篩柱，用于吸附和干燥殘余的艦和氣 溶膠;兩級(jí)串聯(lián)活性炭吸收柱，用于吸收系統(tǒng)中氮的氧化物;吸氣劑柱內(nèi)裝有鐵系吸氣劑， 用于進(jìn)一步吸收氣路中的氣溶膠。
[0040] 進(jìn)一步，所述惰性氣體吸收柱的外圍設(shè)有冷阱，該冷阱內(nèi)加入液氮，用于將惰性氣 體吸收柱中的惰性氣體吸附到柱子上。
[0041] 進(jìn)一步，所述氣體儲(chǔ)存單元包括儲(chǔ)氣罐及與儲(chǔ)氣罐相連接的真空累。
[0042] 進(jìn)一步，所述出液管線上設(shè)有過(guò)濾器。
[0043] 進(jìn)一步，所述氣體吸收管線上設(shè)有壓力表。
[0044] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：
[004引1、本發(fā)明通過(guò)充分考慮到低濃軸錐的特性W及各價(jià)態(tài)軸離子的水溶液化學(xué)性質(zhì)， 在容器和管路設(shè)計(jì)上通過(guò)選材、耐壓、控溫和尾氣吸收設(shè)計(jì)來(lái)制作溶解裝置，W便于加溫加 壓操作，避免U4+水解產(chǎn)生膠體聚合物，保障福照軸錐溶解完全;整個(gè)溶解裝置操作簡(jiǎn)單，軸 錐溶解迅速；
[0046] 2、本發(fā)明通過(guò)在氣體吸收管線上串聯(lián)幾組不同的吸收柱，用于吸收溶解過(guò)程中釋 放的艦及揮發(fā)的酸性氣體，并在氣路中連接入一個(gè)鐵系吸氣劑柱，性質(zhì)活潑，與惰性氣體不 發(fā)生反應(yīng)，在氣路中安置其后的是惰性氣體吸收冷阱，二者保障了排放氣體的凈化效果。
[0047] 3、本發(fā)明的溶解器，能夠放置質(zhì)量大的金屬軸錐，為低濃軸祀件的使用提供后續(xù) 處理的保障;該溶解器最大處理量為lOOg，意味著可同時(shí)處理多個(gè)祀件，一般低濃軸祀件中 軸錐質(zhì)量為約15-20g，較大的處理量為低濃軸祀件的溶解提供了便利。