溶剂萃取法从辐照镎靶溶解液中提取分离钚的萃取价态选择Ⅰ:Pu(Ⅳ)-Np(Ⅳ)北大核心CSCD

采用磷酸三丁酯(TBP)溶剂萃取法对从辐照镎靶溶解液中提取分离钚的可行性进行了研究。从料液制备、流程设计两个方面研究了Pu(Ⅳ)-Np(Ⅳ)组合作为萃取价态组合的可能性。研究了1,1-二甲基肼(UDMH)还原-亚硝酸钠氧化两步法将镎、钚控制在Pu(Ⅳ)-Np(Ⅳ)的方法。结果表明,99.9%以上Pu(Ⅳ)-99.5%以上Np(Ⅳ)在4 h内能够保持稳定。基于此,设计了从辐照镎靶溶解液中提取分离钚的萃取流程,并用串级实验进行了验证:1A中镎的回收率为99.5%;1B中镎的反萃率为0.8%,钚的反萃率为99.9%;1C中镎的反萃率为99.5%。结果表明,采用Np(Ⅳ)-Pu(Ⅳ)的价态组合进料,基本可实现镎钚的分离,但料液中Np(Ⅳ)-Pu(Ⅳ)价态的长时间稳定性及TBP对Np(Ⅳ)萃取能力弱等问题将影响该工艺的实际应用。     

N,N-二甲基羟胺对Pu(Ⅳ)的还原反萃和相应的计算机模型

研究了N,N-二甲基羟胺(DMHAN)的HNO3溶液对30%TBP/煤油中Pu(Ⅳ)的还原反萃行为,考察了N,N-二甲基羟胺浓度、HNO3浓度、温度以及两相接触时间对Pu(Ⅳ)反萃率的影响.结果表明:延长相接触时间能显著提高钚的反萃率;增加HNO3浓度、加大DMHAN的用量、升高温度均能加快钚的反萃速率,但当相接触时间超出一定范围时,这些因素都不能显著增加钚的反萃率.编写了DMHAN单级反萃Pu(Ⅳ)的计算机模拟程序,程序计算值与实验值在一定范围内符合良好.     

N,N—二甲基羟胺对Pu（Ⅳ）的还原反萃和相应计算机模型

研究了N,N-二甲基羟胺（DMHAN）的HNO3溶液对30％TBP／煤油中Pu(Ⅳ）的还原反萃行为,考察了N,N-二甲基羟胺浓度、HNO3浓度、温度以及两相接触时间对Pu(Ⅳ）反萃率的影响。结果表明：延长相接触时间能显著提高钚的反萃率;增加HNO3浓度、加大DMHAN的用量、升高温度均能加快钚的反萃速率,但当相接触时间超出一定范围时,这些因素都不能显著增加钚的反萃率。编写了DMHAN单级反萃Pu(Ⅳ）的计算机模拟程序,程序计算值与实验值在一定范围内符合良好。     

不同级钚材料的衰变放热功率计算分析

钚材料中放射性核素会不断衰变并释放能量,改变钚材料及周围部件的温度。为研究不同级钚材料在其整装存储及运输过程中衰变放热功率随时间的变化规律,依据不同级钚材料的放射性核素组分,在分析核素级联衰变规律的基础上,并在物理模型中考虑衰变时的能量分支比,计算得到了武器级钚、反应堆级和混合级钚材料中各核素的衰变放热功率和总热功率随时间的演变规律。计算结果表明,1 kg不同级的钚材料,其衰变放热功率最大的是混合级钚,放热最少的是武器级钚;武器级钚材料衰变放热功率主要来自于~(239)Pu,而反应堆级与混合级钚材料的衰变放热功率主要来自于~(241)Pu和~(238)Pu。三种不同级钚材料中,~(242)Pu的衰变放热功率均很小。考虑能量分支比后,可更准确地计算给出钚材料的衰变热功率。     

α-Pu和δ-Pu电子结构的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的平面波赝势方法,对α-Pu和δ-Pu的电子结构进行了对比研究。由电荷布居分析可知,α-Pu中8种位置的原子的轨道电荷分布各不相同,净电荷的得失主要由s和p电子贡献,而δ-Pu中各原子的轨道电荷分布一致,且无净电荷的得失;由态密度可知,α-Pu的态密度主峰较δ-Pu的态密度主峰峰值更低、宽度更宽,表明α-Pu中平均键能强于δ-Pu,导致其更难发生塑性形变。此外,α-Pu电子的能量总体上低于δ-Pu电子的,这也是α-Pu的室温稳定性高于δ-Pu的重要原因。α-Pu中8种不同位置Pu原子的分波态密度的计算结果表明,8号位置Pu原子的5f电子关联性最强,对α-Pu的自旋矩贡献最大,而1号位置Pu原子的5f电子关联性最弱,对自旋矩的贡献最小;由电荷密度图可知,δ-Pu的电子云为均匀的球形,无明显的相互作用,呈现典型的金属键特征,而α-Pu的电子云发生重叠,相互作用明显,具有共价行为,这也在一定程度上揭示了两者呈现不同延脆性机制。     

核数据测量用钚靶的制备

钚的核数据测量是核科学领域一项重要的研究内容，要获得钚的相关核数据，需将钚制备成钚靶置于加速器或反应堆中进行辐照，因此在测量过程中钚靶必不可少。根据测量相关需求，需要将m≥4 μg的钚制备成活性区直径D≤5 mm的钚靶。本工作对于小面积Pu靶的制备进行了大量的实验工作，通过对异丙醇、硫酸铵、硫酸钠三种不同电沉积体系的研究，确定了以硫酸钠为电沉积液的电沉积体系，并对装置进行改进以及对相关工艺条件进行研究，确定了Pu靶制备工艺：在pH=2.0~3.0的硫酸钠电沉积液中、750 mA/cm²的电流密度、65 ℃下，电沉积150 min，并通过液闪谱仪对电沉积率进行了检测。结果表明，该方法对于Pu的电沉积率可达98%以上。     

甲醛肟在Purex流程铀钚分离中的应用

为了进一步优化Purex流程,研究了甲醛肟（FO）的硝酸水溶液对30%TBP/煤油中Pu(Ⅳ)的还原反萃取行为,考察了FO浓度、两相接触时间、两相相比、反萃液硝酸浓度、NO₃^-浓度、有机相U浓度和温度对Pu(Ⅳ)的还原反萃的影响。结果表明：延长两相接触时间能显著提高Pu(Ⅳ)的反萃率,增加甲醛肟的浓度、降低反萃液酸度、降低NO₃^-浓度、增加有机相U浓度和升高温度也对Pu(Ⅳ)的反萃率有一定的提高。采用16级逆流反萃取实验（还原反萃段12级,补充萃取段4级）,模拟Purex流程1B槽U/Pu分离工艺,在相比（1BF∶1BX∶1BS）为4∶1∶1的条件下,U和Pu 的回收率均大于99.99%;铀中去钚的分离因子SF(Pu/U)＝1.0×10⁴;钚中去铀的分离因子SF(U/Pu)＝8.3×10⁴。FO作为新型络合 还原反萃取剂,可有效实现铀钚分离。     

二甲基羟胺存在下四价钚的反萃动力学

用恒界面池法实验考察了DMHAN／H_N03／TBP-煤油-Pu（Ⅳ）体系中Pu（Ⅳ）的反萃动力学。实验结果表明：在选定实验条件（转速295r／min，温度18．8℃，钚浓度1．30×10^-6～1．30×10^-4mol／L）下，DMHAN／HN03／TBP-煤油-Pu（Ⅳ）体系q~Pu（IV）的反萃属于扩散控制。     

U(Ⅳ)用作Purex过程中Pu(Ⅳ)还原剂的研究

研究了U(Ⅳ)在分离的有机相(30％TBP-煤油)中、在两相振荡混合和逆流萃取过程中的稳定性。通过单级反萃实验研究了有机相中钚浓度、铀浓度,反萃剂的酸度和肼浓度,U(Ⅳ)用量(M_(u(Ⅳ))/M_(Pu)对钚反萃率的影响。通过串级实验研究了在1B槽工艺条件下,M_(u(Ⅳ))/M_(Pu)和U(Ⅳ)加入位置,反萃剂酸度和相比等条件的变化对铀钚分离的影响。给出了铀和钚的净化系数。     

硝酸羟胺用于钚纯化循环的工艺条件优化

采用可控温的单级萃取装置，对羟胺还原反萃取钚的工艺条件进行了优化。实验表明，硝酸肼能够将少量Pu(Ⅳ)还原反萃取到水相，但是当硝酸肼浓度较高时，硝酸肼则表现出盐析效应，抑制钚的还原反萃取；对于钚还原反萃取工艺来说，当保持进料中羟胺与钚的摩尔数之比为定值时（在50℃时n (HAN)/ n (Pu)=2～3较为适宜），增大还原剂流量能够提高钚的收率，但同时会降低钚的浓缩倍数；温度升高时，硝酸氧化Pu(Ⅲ)的反应速率加快，使得钚在有机相中的浓度有所升高；当溶液中离子强度较高时，在盐析效应的作用下，Pu(Ⅲ)的分配比随离子强度的提高而升高，导致钚在有机相中的浓度上升。     

热表面电离质谱法测定钚氧化物中的钚同位素组成

采用热表面电离质谱法对钚氧化物中钚同位素丰度进行了测定。通过对钚氧化物样品预处理、离子源和分析器的真空控制、法拉第杯接收效率检测、测量过程中的信号强度大小控制、信号强度稳定性控制以及测量时间的控制等条件进行优化,确定了最佳预处理条件和测量条件,实现了钚氧化物中钚同位素组分的准确测定。在选定的条件下,测定了钚标准样品中的钚同位素丰度,主同位素239Pu和242Pu测量精密度(sr)均优于0.05%(n=6)。     

氨基羟基脲在Purex流程铀钚分离中的应用

研究了氨基羟基脲（HSC）的硝酸水溶液对30%TBP/煤油中Pu(Ⅳ)的还原反萃取行为,考察了HSC浓度、两相接触时间、两相相比、反萃液硝酸浓度、NO₃^-浓度、有机相U浓度和温度对Pu(Ⅳ)还原反萃的影响。结果表明：延长两相接触时间能显著提高Pu(Ⅳ)的反萃率,增加氨基羟基脲的浓度、降低反萃液酸度、降低NO₃^-浓度、增加有机相U浓度和升高温度也对Pu(Ⅳ)的反萃率有一定的提高。采用16级逆流反萃取实验（还原反萃段10级,补充萃取段6级）,模拟Purex流程1B槽U/Pu分离工艺,在相比（1BF∶1BX∶1BS）为4∶1∶1的条件下,U的收率大于99.99%,Pu的收率大于99.99%;铀中去钚的分离因数SF_Pu/U＝2.8×10⁴;钚中去铀的分离因数SF_U/Pu＝5.9×10⁴。HSC作为还原反萃取剂,可有效实现铀钚分离。     

Reillex-Reillex阴离子交换分离克量级铀中微量钚北大核心CSCD

采用Reillex-Reillex串联阴离子交换色层柱,建立了高铀钚比样品中微量钚的高效分离方法。考察了树脂类型、淋洗条件、价态调节等对钚分离效果的影响,确定了分离流程的条件。当铀钚质量比为106时,经两级Reillex柱分离后,钚的平均回收率为99.35%,铀的去污因子大于107。最后使用该方法从克量级辐照铀靶中分离出了微克量级超纯239 Pu,(^(238)U+^(238)Pu)/^(239)Pu原子比为(3.60±1.15)×10^(-5)(n=6)。     

辐照条件下空洞超点阵形成过程的相场模拟

钨（W）具有高熔点、高热导率和优异的抗辐照能力等优点,是未来聚变堆面向等离子体部件的重要候选材料。然而中子辐照后的纯W中会产生空洞超点阵,严重影响其服役性能。本文改进了辐照条件下纯W中空洞超点阵形成过程的相场模型,采用更合理的体系总自由能函数表达形式,且考虑了空间与时间上随机分布的辐照点缺陷的产生。模拟结果表明：辐照过程中,间隙原子的定向扩散及其与空位的相互作用是空洞超点阵形成的主要原因;间隙原子沿不同方向的定向扩散形成了不同类型的空洞点阵;点阵中空洞的排列会随模拟时间的延长变得有序,空洞尺寸也会变得基本一致,而空洞形状并非标准的圆形,模拟结果与实验结果基本一致。     

辐照条件下空洞超点阵形成过程的相场模拟

钨(W)具有高熔点、高热导率和优异的抗辐照能力等优点,是未来聚变堆面向等离子体部件的重要候选材料。然而中子辐照后的纯W中会产生空洞超点阵,严重影响其服役性能。本文改进了辐照条件下纯W中空洞超点阵形成过程的相场模型,采用更合理的体系总自由能函数表达形式,且考虑了空间与时间上随机分布的辐照点缺陷的产生。模拟结果表明:辐照过程中,间隙原子的定向扩散及其与空位的相互作用是空洞超点阵形成的主要原因;间隙原子沿不同方向的定向扩散形成了不同类型的空洞点阵;点阵中空洞的排列会随模拟时间的延长变得有序,空洞尺寸也会变得基本一致,而空洞形状并非标准的圆形,模拟结果与实验结果基本一致。     

30%TBP-正十二烷/硝酸体系中浓钚的分配行为

研究了温度、水相中硝酸浓度和水相中钚浓度对30%TBP-正十二烷/硝酸体系中浓钚(两相平衡后水相中Pu(Ⅳ)质量浓度为0.35～11.1g/L时)的分配比D(Pu)的影响。研究结果表明:25℃下,当硝酸浓度大于1.5mol/L时,D(Pu)随着钚浓度的增高而下降;当酸度为0.4mol/L时,钚浓度对钚分配比影响不大。当两相平衡后水相中Pu(Ⅳ)质量浓度为1.34～3.80g/L,水相中硝酸浓度分别为1.5mol/L和3.0mol/L时,在25～60℃范围,钚的分配比随温度增加而增大,最大增大率为39.4%。25℃下,当酸度分别为1.5mol/L、3.0mol/L和4.5mol/L时,30%TBP-正十二烷作为萃取剂时Pu的分配比比根据文献计算出来的30%TBP-煤油体系的值要大一些。但酸度为0.4mol/L时,两个体系中Pu的分配比接近。     

Pu-Ga合金中氦泡聚集行为的分子动力学模拟

在钚(Pu)材料中加入少量其他金属元素,如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铈(Ce)等,能实现Pu合金材料在室温条件下稳定。本文采用分子动力学(MD)方法及修正的嵌入原子势(MEAM),在300K下对Pu-Ga合金中的氦泡聚集行为进行了模拟,合金中Ga的含量(原子分数)分别为0%、2%和5%。通过计算和分析,得到不同Ga含量下,随氦原子数目增长Pu-Ga合金中氦泡半径和压强的变化趋势,以及由氦泡引起的体积膨胀,研究结果对于理解钚自辐照过程中的氦效应的内在机制具有一定的参考价值。     

硝酸羟胺还原反萃高浓度钚

对硝酸羟胺(HAN)从30%TBP/煤油中还原反萃高浓度Pu(Ⅳ)的影响因素进行了研究。结果表明:延长两相接触时间、降低酸度、升高温度均有利于Pu(Ⅳ)的还原反萃;增大硝酸羟胺浓度虽然也有利于Pu(Ⅳ)的还原反萃,但是当HAN浓度大于0.4mol/L后,反萃率增加不明显;增加肼的浓度也有利于Pu(Ⅳ)的还原反萃,但当肼浓度大于0.2mol/L后,Pu(Ⅳ)的反萃率随肼浓度增加而降低;溶液中硝酸根浓度对Pu(Ⅳ)反萃率的影响明显;随着钚浓度增加,反萃率降低。钚在水相和有机相的分配对HAN还原反萃高浓度钚有显著影响。     

U(Ⅳ)对Pu(Ⅳ)的单级还原反萃数学模型研究

正Purex流程中铀钚分离工艺单元(1B)是整个流程的分水岭,其运行工况对后续的工艺单元有重要的影响,铀钚分离工艺通过使用合适的还原剂将Pu(Ⅳ)还原成为Pu(Ⅲ),因为Pu(Ⅲ)在有机相(30%TBP/煤油)和水相中的     

TBP-TEVA萃取色层分离-α能谱法测定辐照镎靶溶解液中痕量~(236)Pu的可行性

~(236)Pu的含量控制是钚热源的一项重要参数,通过α能谱准确测量镎靶溶解液中痕量~(236)Pu,建立镎靶辐照靶件溶解液中钚的分离方法。根据杂质组成特点采用TBP-TEVA萃取色层双柱分离,用氨基磺酸亚铁以及亚硝酸钠对钚进行调价,对靶件溶解液中的Al、Fe、U、Th和Np等进行分离,去污系数均大于104,钚的回收率为90.7%。研究大量~(238)Pu对α能谱测定~(236)Pu的干扰,结果表明,大量~(238)Pu会造成仪器本底升高,~(238)Pu能谱峰分辨率降低;在7 500Bq ~(238)Pu干扰下,测量4.3h时,~(236)Pu的最小可检测活度为1.20×10-2 Bq(当量质量为6.11×10-16 g)。计算结果表明,镎靶溶解液样品中钚的同位素比值n(~(236)Pu)/n(~(238)Pu)≥4.63×10-8时,取合适的样品量使得电沉积源中~(238)Pu活度在450～7 500Bq范围内,均可测量其中的痕量~(236)Pu,同时可准确测定同位素比值n(~(236)Pu)/n(~(238)Pu)。