叶宏生 徐利军 夏 文 林 敏 陈克胜

(中国原子能科学研究院计量测试部 北京 102413）

为提高短寿命核素89Rb相关核科学数据的测量精度，得生产、分离出高纯度的核素[1–5]。从235U裂变产物中可分离出能满足测量所需活度要求的89Rb，但裂变核素种类繁多，Rb同位素更难以分离。O'Kelley等[6]采用反冲捕集法从裂变产物中收集89Rb，将浓缩铀用铝膜包裹后密封在特殊设计的“跑兔”中，铝膜将裂变产生的大部分碎片捕集，而裂变碎片中的 Kr气则通过一个由干冰和丙酮冷却的玻璃毛细管进入另一容器，其内有一块带静电的铝膜，当Kr衰变成Rb则被铝膜捕集。由于裂变产物中的Xe也由抽吸带走，该方法存在Xe的子体Cs的干扰。

鉴于裂变产物中Rb同位素分离的复杂性，我们改进了原有低温冷阱装置，通过母核分离消除裂变产物中大部分杂质核素的干扰，同时利用双冷阱尽量减少Xe的子体Cs，最后用化学分离法得到较为纯净的89Rb。

1 实验部分

1.1 实验原理

235U裂变产物中89Rb相邻衰变链为(括弧中为半衰期)：

88Br (16.3 s) →88Kr (2.84 h) →88Rb (17.8 min)

89Br (4.3 s) →89Kr (3.15 min) →89Rb (15.15 min)

90Br (1.9 s) →90Kr (32.3 s) →90Rb (2.63 min)

138I (6.49 s) →138Xe (14.08 min) →138Cs (33.41 min)

冷却法(图1)消除Xe及其子体Cs干扰的原理如下：Kr的熔点和沸点分别为−156.6°C和−152.9°C[7]，Xe 则为−112°C 和−107.1°C, 寻找合适的温度，在此温度下Kr流走，而留下Xe与其他裂变产物，就可消除 Xe的干扰。同时，利用时间差将90Kr衰变殆尽成90Rb而留下，而89Kr则流到下一级分离装置，几个89Kr的半衰期后，就有足够量的89Rb，用溶液洗涤下来。

图1 89Rb分离方案Fig.1 Separation scheme of 89Rb.

1.2 双冷阱

双冷阱的分离原理为：载气（掺有 Kr和 Xe的氮气）压力为0.2–0.4MPa，气体流量为1–4L/min，设Kr和Xe含量为0.05%–1%，则气流中的Kr和Xe的分压力为100–2000Pa，要使Xe留下而Kr流走，还需要 Xe发生相变，形成固体或者液体，而Kr始终保持气相状态。当气流中Xe含量为0.05%也即分压为100 Pa时，可算得所需饱和温度为103 K，该温度下对应的Kr的饱和蒸汽压力为17475Pa，100＜＜17475，该状态下 Kr是单相的气体，而 Xe则由气态饱和成液态，从而将二者分离。

我们利用不同气体的饱和蒸气压的不同，改进了原有的低温气体分离装置[8]，增加冷却冷阱，改造后装置示意如图2所示。

图2 双冷阱示意图Fig.2 Schematics of the double cold trap.

整个工作容器的外部主体为可耐压的杜瓦钢筒，工作容器外围缠绕电阻丝。液氮容器通过自增压方式将液氮压入杜瓦瓶，以冷却工作容器，利用加热器的微量加热使液氮气化，通过改变液氮上方的饱和蒸汽压而控制温度。调节到所需温度后，掺有Kr、Xe的氮气流入到低温工作容器中，Xe冷冻下来而Kr流走，从而实现Kr、Xe分离，再过几个89Kr半衰期而得到足够的89Rb。

该实验装置位(图 3)于中国原子能科学研究院微型反应堆实验室，掺有 Kr、Xe的混合气依次经过多级裂变靶室、流量计到双低温冷阱，经过分离后废气被后端的缓冲罐、气体压缩泵和储气罐等收集，放置一定时间，待短寿命核素衰变殆尽后，通过活性炭排放到大气。

图3 实验装置示意图Fig.3 Scheme of the cold trap experimental setup.

2 结果与讨论

2.1 裂变产物生成时间与分离时间的选择

采用气体母核的冷却方法，主要考虑裂变产物中气体产物以及其子体的干扰，89Kr的半衰期为3.15min[9]，88Kr的半衰期为2.84 h，可通过其差异去除88Rb的干扰。根据要求，对138Xe的收集时间定为2–3个半衰期。冷却收集得的138Xe，从冷阱中解吸后，由138Xe和138Cs半衰期计算，可知30.4min时138Cs达到活度最大值。可见分离时间为10min左右收集效率最高，升温解吸得的89Kr放置30.4min，基本都衰变成88Rb。

保护动作时，需要将发生故障的发电机从电力系统中切除，尽量缩小停电范围，从而使得无故障部分能够安全、稳定地运行。

2.2 冷阱入口温度的选择

由于进气口处的钢管导热速度快，受液氮低温影响较大，一方面易造成入口堵塞，另一方面温度过低会将部分 Kr气冷冻下来。因此在混合气进口加装加热套，防止堵塞造成的核素污染。

根据89Rb的分离条件计算，所购混合气为含Kr、Xe 各 0.5% (V/V)的 N2(40L/10Mpa)。

温度选择实验用一个冷阱进行，加入液氮，平衡温度，使冷阱保持在−196℃左右，向冷阱中通入含 Kr、Xe(0.5%)的 N2。入口处加热套的温度为60°C、90°C、126°C，观察堵塞所需时间分别为 3、8和＞25 mm。

由于89Rb及其母核的半衰期较短，因此Kr、Xe的分离仅需要维持30 min左右即可，可见上述实验条件已经可以满足。

2.3 89Rb热分离条件的选择

经多次分离，所得结果仍有138Cs的干扰，故对89Rb的热分离条件(表1)进行研究：(1) 改变混合气中Kr、Xe的比例，从1%的Kr、1%的Xe；0.5%的Kr、0%的Xe；最终改为0.5%的Kr、0.5%的Xe；(2) 改变两个冷阱的分离温度；(3)改变在靶室中静态辐照和动态辐照的时间。

从以上结果可以看出，随着冷阱1的温度降低，Xe的冷冻效率提高，杂质含量降低。但按照此方法，并进一步降低冷阱 1的温度或改善混合气中 Kr、Xe载体的含量，138Cs含量虽有所降低，但仍达不到完全去除杂质的要求，所得的结果如图4。

表1 改变条件89Rb的分离结果分析(2#冷阱−198°C)Table 1 Condition of separating 89Rb (Trap 2 at −198°C)

图4 存在138Cs干扰的89Rb的分离结果Fig.4 g spectrum of 89Rb with 138Cs.

2.4 对138Cs的去污研究

通过多次试验证明由于冷阱体积设计有限，混合气中Xe无法实现100%冷却，为除去其中由Xe的子核Cs，将收集的Rb用萃取法进行纯化，除去其中的Cs。Cs的萃取剂为4-叔丁基-2-(a-甲基苄基)苯酚(t-BAMBP)。

为考察不同碱性条件下 t-BAMBP对 Rb-Cs的分离效果，进行如下冷实验：将t-BAMBP/二甲苯作为有机相，不同碱性大小含有 Rb/Cs离子的溶液作为水相，分别混合萃取1 min，分离后水相调节至酸性条件用 ICP-MS（型号 ELEMENT，Finnigan-MAT公司）进行分析。计算不同碱性条件下有机相对Rb/Cs的分配比。实验结果见图5。从结果可以看出OH−的浓度为0.1mol/L时Rb/Cs的分配系数最大，因此选择此条件为最佳分离条件。

图5 不同的碱性条件下t-BAMBP对Rb、Cs的萃取分配比(a)，分配系数(b)Fig.5 Distribution ratio (a) and Distribution coefficient (b) of Rb and Cs extraction with t-BAMBP in different alkalinity.

2.5 其他杂质去除

图4表明，除138Cs的干扰外，在低能端300 keV附近还有杂质峰，经过相邻核素衰变链分析，它们是Rb衰变成Sr的干扰，如91Sr等，用PMCyP萃取可除去这些杂质的干扰，所得的结果图6。

2.6 分离结果

通过上述去污后，测量初始时刻所得89Rb活度为2´104Bq，利用g低本底反康普顿谱仪测量分离所得样品的杂质，用文献[4]的方法计算89Rb样品中的杂质含量如表2。

图6 除去所有杂质后所得89Rb的分离结果Fig.6 g spectrum of 89Rb without impurity.

表2 主要一些干扰放射性核素的去污因子Table 2 Decontamination factors (DF) for some nuclides

3 推荐分离流程

(1) 打开低温分离装置的工作区管路(混合气管路)，通入纯氮气去除空气，确保无水蒸气残留；

(2) 打开低温分离装置两个冷阱的低温区管路和液氮容器，排入液氮直到温度显示为液氮温度后进行电阻丝加热，利用排气阀控制低温产生区的压力，使达所需温度(1#冷阱，−191℃；2#冷阱，−195℃)，稳定2 min，使工作区的温度达到平衡；

(3) 打开辐照中子门以及混合气入口，在靶室中辐照3 min，打开冷阱混合气入口以及尾气收集口、气体压缩泵，收集裂变产物7 min；

(4) 收集完成后关闭工作区进气口、出气口，产物冷却1 min后升温；

(5) 升温的Kr气用另一容器收集，静置6 min左右，让89Kr衰变成足够的89Rb，加入混有Rb载体的溶液，将干扰同位素138Cs反洗到水相；

(6) 溶液转移至分液漏斗，分别用t-BAMBP和PMCyP萃取分离溶液，所得的水相即可制源测量。

4 结论

实验中采用的双冷阱是在原有装置的基础上进行设计改造的，由于混合气的气体流速较大，而冷阱工作区的体积较小，因此第一个冷阱对 Xe的冷却效率未达到99%以上。这导致后面分离得到的89Rb中存在138Cs的干扰，虽然可以通过萃取的方法除去138Cs，但其中耗费的时间导致89Rb的总量减少，下一步的工作可以增加冷阱的体积以对其进行进一步完善。

考虑到在前端进行低温冷阱操作时工作人员的辐射剂量防护，本实验中利用该方法得到89Rb的量大约为104Bq量级，若能实现对装置的远程控制，还可以提高中子通量，将所得89Rb总量提高，以满足g发射率的测量要求。

1 凡金龙, 王世联, 黄萍, 等.裂变产物中短寿命核素138Cs 的分离提取[J], 光谱实验室, 2003, 20(6):877–879 FAN Jinlong, WANG Shilian, HUANG Ping, et al.Fission products in the separation of short-lived nuclides138Cs extraction[J], Spectroscopy Laboratory, 2003, 20 (6):877–879

2 Rengan K.Continuous gas phase chemical separation [J],J Radioanal Nucl Chem, 1990, 142(1): 173–181

3 Arlt R.Beyer G J, Herrmann E, et al.On the identification of78Rb/T=19 min[J], Radiochem Radioanal Lett, 10(1972): 173–175.

4 Fritze K, Kennett T J.The identification and half-lives of fission-product92Rb and93Rb[J], Can J Phys, 1960, 38:1614-1622.

5 Litz L M, Ring S A, Balkwell W R.The 1.25-min82Rbm daughter of 27-day82Sr [J], Phys Rev, 1953, 92: 288-290

6 O'Kelley G D, Lazar N H, Eichler E.Decay of89Rb[J],Phys Rev, 1956, 102: 223-227.

7 David R Lide.CRC Handbook of Chemistry and Physics[M].83rded.Boca Raton, FL: CRC Press, 2002

8 徐利军, 叶宏生, 陈克胜, 等, 低温冷阱法分离裂变产物中138Cs[J], 核技术, 2008, 31(4): 316-320 XU Lijun CHEN Kesheng YE Hongsheng, et al.Separation of138Cs from fission products by a cold trap[J], Nucl Tech, 2008, 31(4): 316-320

9 Firstone R B, Table of Isotopes [Z].8th Edition Lawrence Berkley National Laboratory, University of California,1996.