一種輻照低濃鈾箔靶件鈾箔溶解裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于放射性物質(zhì)溶解領域，具體設及一種福照低濃軸錐祀件軸錐溶解裝 置。
【背景技術】
[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)學中應 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通過多種方式獲得:①從235U裂變產(chǎn)物中提取，核反應: 235U(n，f)99Mo;② 熱中子福照鋼-98,核反應:98Mo(n，丫）"Mo;③加速器質(zhì)子誘發(fā) 238U裂變，核反應: 238U(p，f) 99Mo;④加速器福照鋼，核反應:ι^Μ〇(ρ，ηρ) 99Μο。雖然有多種途徑和技術可W生產(chǎn)，得到高 比活度產(chǎn)物的主要途徑是反應堆福照軸-235通過裂變反應生成"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發(fā)生裂變反應，反應截面為58化(針對"Mo 而言）。裂變反應方程式為：
[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的主要來源，但由于 肥U是核武器材料，其使用受到核不擴散條約(NPT)的限制。為了防止核擴散，近年國際原子 能機構(gòu)和美國積極推動應用低濃軸(LEU)生產(chǎn)裂變"Mo的技術，使之成為全球裂變"Mo生產(chǎn) 的發(fā)展趨勢。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，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)濟效益，U量的增大給制祀和 溶祀工作帶來了難題。
[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。因為A1是活潑的兩性金屬，肥啤E件用化0H溶液溶解，當外層的Ξ氧化二侶純化膜被溶 解后，A1的反應劇烈，只需對反應進行控制。而低濃軸錐祀件是對軸錐的溶解，軸的化學性 質(zhì)活潑，可溶解于酸，在無氧化劑存在時，對堿性溶液呈惰性。軸錐溶解于酸的反應是吸熱 反應，溶解速率與溫度、壓力和酸度有關。在低濃軸錐祀件的軸錐溶解中需要考慮更多的安 全問題，如:反應效應、原子核熱效應、祀件中產(chǎn)生的放射性活度、溶解產(chǎn)生的氣體壓力等都 是溶解器設計時要考慮的問題。
[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強還原劑，很容易被氧化成四 價或六價。主要的化學反應方程式為：
[0014] 金屬軸錐的溶解反應速度依賴于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；用硝酸溶祀過程中無此產(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、水解反應和配位反應是溶祀器的設計必須考慮的問題。
[0016] 氧化還原反應(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*^為標準氧化-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，各種軸離子的標準氧化-還原電位6*^。
[0019]
[0020] 護+是強還原劑，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，反應方程式如下：
[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。因為，酸度增加 U〇2+易發(fā)生歧化反應，溶液pH值升高會導致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，然后進一步形成多核離子U[(0H) 如]和聚合物[U(0H)4]n。運些聚合物分子量大，一般難溶于酸。U02 2+的水解是個很復雜 的過程，存在一系列的水解并伴隨反應產(chǎn)物的聚合，最終生成軸酸、多軸酸和氨氧化物沉 淀。產(chǎn)生運些聚合物或沉淀對祀件溶解是很不利的，應該通過裝置設計控制反應條件W避 免。選擇不誘鋼材質(zhì)，在祀件溶解時應用HN03并控制酸度，確定溶解后溶液中不需要的化學 物種或復合物w及溶液中發(fā)生的化學反應，使軸祀溶解完全。
[0025] 根據(jù)水溶液中軸離子的熱力學數(shù)據(jù)如表2所示。
[0026] 表2:水溶液中軸離子的熱力學數(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)進行，溶解在等容 條件下進行，促進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 過控制溶解時的壓力為2atm，使溶解加速。當控制溶解溫度為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Δ S= Δ詢琢+ Δ S^i，根據(jù)下式計算：
[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，使溶解反應自發(fā)進行，利于溶解完全。當控制溶解溫度為100°C，ΔG=ΔH-TΔS = -3.04kJ. mo rkO，避免歧化反應發(fā)生，促進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達到軸錐完全溶解，并將有用氣體回收，達標氣體排放。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0035] 針對低濃軸組分的組成特點、軸的水溶液化學性質(zhì)和不同價態(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，并對體系中 產(chǎn)生的氣體廢物進行處理、儲存，保障溶解過程中氣體安全排放。
[0036] 為達到W上目的，本發(fā)明采用的技術方案是: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有加熱器，溶解器內(nèi)穿設有進液管線、氣體吸收 管線W及出液管線;所述氣體吸收管線上依次設有限壓單向閥、氣體吸收單元和氣體儲存 單元;所述氣體吸收管線的進氣端設有限壓單向閥。
[0037] 進一步，在氣體吸收單元兩端的管線之間設有輔助氣路管線，所述輔助氣路管線 上設有堿吸收柱。
[0038] 進一步，所述進液管線上設有用于將溶解器內(nèi)的氣體趕出的進氣管線。
[0039] 進一步，所述氣體吸收單元包括依次設置的Ξ級串聯(lián)堿吸收柱、分子篩柱、兩級串 聯(lián)活性炭吸收柱、吸氣劑柱W及惰性氣體吸收柱;Ξ級串聯(lián)堿吸收柱內(nèi)置氨氧化鋼溶液，用 于吸收溶解過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， 用于進一步吸收氣路中的氣溶膠。
[0040] 進一步，所述惰性氣體吸收柱的外圍設有冷阱，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] 進一步，所述氣體儲存單元包括儲氣罐及與儲氣罐相連接的真空累。
[0042] 進一步，所述出液管線上設有過濾器。
[0043] 進一步，所述氣體吸收管線上設有壓力表。
[0044] 本發(fā)明的有益技術效果在于：
[004引1、本發(fā)明通過充分考慮到低濃軸錐的特性W及各價態(tài)軸離子的水溶液化學性質(zhì)， 在容器和管路設計上通過選材、耐壓、控溫和尾氣吸收設計來制作溶解裝置，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;整個溶解裝置操作簡單，軸 錐溶解迅速；
[0046] 2、本發(fā)明通過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鐵系吸氣劑柱，性質(zhì)活潑，與惰性氣體不 發(fā)生反應，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，意味著可同時處理多個祀件，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。