用于氙氪吸附分离的金属-有机骨架材料耐辐照性能的初步研究

由于乏燃料后处理废气中放射性氙（Xenon,Xe）和氪（Krypton,Kr）的去除需求以及高纯度Xe气体的商业价值,Xe和Kr的吸附分离越来越受到重视。目前Xe/Kr的分离主要采用能源和资本密集型的低温精馏法。以金属-有机骨架材料为吸附剂的多孔材料已经展示出在相对较高温度下选择性吸附Xe和Kr的能力,有望替代低温精馏法实现低成本的Xe/Kr分离。实验研究了三种热稳定性良好的金属-有机骨架材料(Co/DOBDC、Ni/DOBDC、Co₃（HCOO）₆)对Xe和Kr的吸附分离性能。从材料在273 K温度下对Xe和Kr的吸附等温线、亨利常数、亨利选择性和理想吸附溶液理论（Ideal Adsorbed Solution Theory,IAST）选择性等测试和计算结果来看,Co/DOBDC和Ni/DOBDC在常压下对Xe具有较大的吸附容量,适用于Xe吸附存储的应用场景;Co₃（HCOO）₆在低压吸附下具有大的Xe亨利常数、Xe/Kr亨利选择性和Xe/Kr IAST选择性,适用于Xe和Kr吸附分离的应用场景。...     

低温下活性炭吸附分离Kr和Xe

研究了低温下活性炭吸附分离Kr和Xe的方法。Kr和Xe混合气在-78 ℃活性炭吸附柱上进行富集,根据Kr、Xe在活性炭柱上脱附条件的差异实现了Kr和Xe的分离。结果表明,Kr和Xe的回收率均大于90%,Kr样品中Xe的去污系数达10⁴以上,Xe样品中Kr的去污系数达10³以上。     

载银钙基有机骨架材料的制备及其对Xe/Kr的吸附分离性能

以钙基有机骨架材料（Ca-SINAP-1）为基体,将银离子在此材料上负载结合,成功制备出耐一定γ射线辐照（50 kGy）的载银钙基金属有机骨架材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、比表面积与孔容孔径分析仪对其进行表征分析,并研究了载银金属有机骨架材料对Xe的吸附能力。结果表明：银离子负载于钙基金属有机骨架材料表面,材料结构未发生明显改变;样品载银量为0.93%,Xe的吸附量达到最高（3.29 mmol/g）,此时Xe/Kr的分离系数为10.71。随着载银量增加,Xe的吸附量减小,表明过多银负载可能会导致材料孔道堵塞,并不利于Xe的吸附。对于熔盐实验堆放射性尾气的处理环境,此材料具有一定潜力。     

气体裂变产物88Kr的放化分离方法

为了制备满足88Kr核参数测量的样品,本工作研究了88Kr的放化分离方法。以85Kr、125Xe为放射性示踪剂研究了活性炭柱对Kr和Xe的吸附分离条件。结果显示,在0℃下Xe能被活性炭柱快速吸附而Kr不吸附。研制了一套适用于短寿命气体裂变产物分离的装置系统,使用辐照的铀靶进行了88Kr样品的分离。Kr的收率大于90%,Xe及I的去污因子大于1×104,整个操作过程可在5min内完成。     

碳分子筛上氪、氙的动态吸附及脱附性能

为筛选快速分离Kr/Xe的材料,研究了不同碳分子筛（CMS）对氙（Xe）和氪（Kr）的动态吸附性能与脱附性能,探讨了压力、气体流量、温度等因素对Kr、Xe的动态吸附系数与脱附率的影响。结果表明,碳分子筛Aladdin TDX-01对Xe的吸附容量最大,其次为光复TDX-01,低温时,Aladdin TDX-01对Kr的动态吸附系数大于光复TDX-01。Aladdin TDX-01碳分子筛对Kr和Xe的吸附能力均随压力升高而增强,随着原料气流量增加而减少,动态吸附系数随着温度升高而降低;采用N2吹扫对Kr、Xe进行脱附,随着N₂流量增大、温度升高,Kr、Xe的脱附时间缩短。Aladdin TDX-01碳分子筛在25 ℃、100 kPa条件下对Xe的动态穿透吸附系数为1 283 mL/g,在-50 ℃、100 kPa条件下对Kr的动态穿透吸附系数为474 mL/g。     

裂变产物中89Rb的分离

为将短寿命核素89Rb从裂变产物中分离出来,,考虑从其母核放射性惰性气体核素(Kr)开始分离.在已建立的低温冷阱分离装置上改造出双冷阱,以实现惰性气体核素的Kr-Xe的两步分离.结合气体同位素交换技术,成功地从复杂裂变产物中将89Rb与Xe、Cs等干扰核素分离,大部分γ核素的去污系数达到104以上.     

低温冷阱法分离裂变产物中的^88Rb和^89Rb

为将短寿命核素^88Rb和^89Rb分别从裂变产物中分离出来，需考虑从它们的母核放射性惰性气体核素融开始分离。利用同位素交换方法将裂变产物中的Kr、Xe同位素从靶室载带至低温冷阱分离装置，基于Kr、Xe的饱和蒸汽压不同，即通过Kr、Xe在一定的分压下其熔沸点相差较大而形态不一进行分离。载气采用掺有0．5％Kr、0．5％Xe的N2，工作压力为0．2-0．3MPa。     

低温冷阱法分离裂变产物中138Cs

为将短寿命核素138Cs从裂变产物中分离出来,考虑从其母核放射性惰性气体核素(Xe)开始分离.利用不同气体的饱和蒸气压的不同,设计加工了一套低温冷阱分离装置来实现惰性气体核素的分离.结合气体反冲传输技术,该装置成功地应用于从复杂裂变产物中将138Cs与Kr、Rb等干扰核素分离,大部分Υ核素的去污系数达到104以上.     

惰性气体在核保障监督中的应用研究

本工作研究了放射性惰性气体环境监测在《核不扩散条约(NPT)》保障监督中的应用,研究重点是通过监测烟囱中释放的稳定惰性气体Kr、Xe同位素,对正在运行的后处理厂进行核保障监督的方法,旨在探索有效的、入侵性低的核查技术。41Ar、133Xe和85Kr等单一核素对正在运行的反应堆和后     

复杂混合气体组分在低温活性炭表面的吸附特性

为实现大体积气体中微量放射性气体Kr、Xe同位素的测量,须将混合气体进行浓集并将目标气体吸附于10 mL左右的活性炭源盒中。本实验对混合气体中各组分在活性炭分离柱上的吸附性能进行研究,建立了通过去除其他杂质气体、浓集大体积气体制备放射性Kr和Xe活度源的方法。根据反应堆流出气体和核爆可能生成的气体组分,配制了模拟气体,使用活化的4A分子筛对其中的水和CO₂进行模拟去除,获得了流程中去除水和CO₂的实验条件;选择5个低温点(273、264、255、246、238 K),在低温活性炭柱上对H₂、CO、CH₄、Kr和Xe的吸附特性进行研究,测定了各气体在不同温度下的吸附穿透曲线。结果表明,室温下4A分子筛对水和CO₂有较好的吸附效果。低温下,H₂、CO不易在活性炭表面吸附;CH₄、Kr吸附性质相似;Xe吸附能力较强。低温下难以去除的CH₄可在高温下氧化去除。因此,可根据混合气体中各组分性质的不同实现杂质气体的去除和目标气体Kr、Xe的回收测量。     

乏燃料溶解尾气中氙的取样分离及稳定同位素比的测量

采用活性炭低温收集的方法对空气中的氙（Xe）进行收集,经活性炭初步分离后,再用5Å分子筛进一步分离纯化,获得可用于气体质谱仪测量的Xe样品,然后采用气体质谱仪对Xe的稳定同位素比（R）进行准确测量。研究确定了活性炭、分子筛对Xe的分离性能与操作条件,建立了Xe的收集和纯化方法。对空气中R(¹³⁴Xe/¹²⁹Xe)、R(¹³¹Xe/¹²⁹Xe)、R(¹³²Xe/¹²⁹Xe)测量的相对标准偏差分别为0.32%、0.15%、0.14%(n=3)。采用该法对乏燃料剪切、溶解尾气中的Xe进行了取样、纯化、测量,并利用Xe同位素比计算了乏燃料燃耗。结果表明：采用R(¹³²Xe/¹³⁴Xe)推算的燃耗比R(¹³¹Xe/¹³⁴Xe)更接近真实值,与真实值的偏差在20%左右。     

后处理厂释放气体中稳定惰性气体同位素在核保障监督中的应用研究

用Origen2．1计算模式对压水堆元件中Kr,Xe相关同位素与燃耗的关系进行了计算,并估算了后处理厂烟囱释放气体中Kr,Xe各稳定同位素的来源,丰度和原子浓度.^82Kr,^129Xe可用作环境样品中惰性气体同位素的天然本底;裂片^83Kr／^86Kr．^84Kr／^86Kr、^131Xe／^134Xe和^132Xe／^134Xe的丰度比值,可用于指示乏燃料燃耗,进而估算正在被分离的钚同位素组成,并有可能对后处理厂实行保障监督。     

乏燃料溶解尾气中氙的取样分离及稳定同位素比的测量

采用活性炭低温收集的方法对空气中的氙（Xe）进行收集，经活性炭初步分离后，再用5Å分子筛进一步分离纯化，获得可用于气体质谱仪测量的Xe样品，然后采用气体质谱仪对Xe的稳定同位素比（R）进行准确测量。研究确定了活性炭、分子筛对Xe的分离性能与操作条件，建立了Xe的收集和纯化方法。对空气中R(¹³⁴Xe/¹²⁹Xe)、R(¹³¹Xe/¹²⁹Xe)、R(¹³²Xe/¹²⁹Xe)测量的相对标准偏差分别为0.32%、0.15%、0.14%(n=3)。采用该法对乏燃料剪切、溶解尾气中的Xe进行了取样、纯化、测量，并利用Xe同位素比计算了乏燃料燃耗。结果表明：采用R(¹³²Xe/¹³⁴Xe)推算的燃耗比R(¹³¹Xe/¹³⁴Xe)更接近真实值，与真实值的偏差在20%左右。     

基于变压吸附法的大气中氩室温分离方法

放射性惰性气体³⁷Ar是地下核爆炸的特征活化产物,可用于全面禁止核试验条约现场视察,为判断是否进行了可疑核爆炸提供证据。基于变压吸附原理,建立了基于LiX分子筛和4A分子筛两级变压吸附分离、结合制备色谱的空气样品中氩的室温分离纯化方法,氩回收率大于65%,氩纯度满足放射性测量要求,流程操作时间小于2h。     

多孔吸附介质对133 Xe的采样浓集效果研究

在我国压水堆核电厂的惰性气体排放中,¹³³Xe为关键源项。在大气及核设施气态流出物中,放射性氙同位素所占的体积比极低。因此对于放射性氙的监测,需要前端增加采样量。本文主要对空气中氙组分采样浓集技术进行研究,选取多种材料进行空气中氙吸附行为和吸附容量的测试,并对其在现场采样实验室分析中的应用效果进行了理论计算。结果表明特定粒度的竹炭和椰壳炭对氙吸附浓集效果较好,可有效降低流出物中惰性气体取样的探测限。     

用制备色谱法分离氪氙

叙述了通过改变填充5A分子筛色谱柱的载气流速和色谱柱温度,改变氪、氙的保留时间,实现氪、氙分离。分离后,在低温下分别用活性炭收集。结果表明,延长氪、氙色谱柱保留时间的间隔,可提高氪、氙的去污系数;在–80oC低温下,活性炭能很好地收集氪和氙,回收率>95%。     

用于核电站放射性惰性气体处理的常温活性炭滞留床研究

本文介绍了用于核电站放射性惰性气体处理的常温活性炭滞留床，试验结果表明，１１种市售国产活性炭大多数可用于常温活性炭滞留床，其中椰壳０１、０２炭，果壳１１、１２炭较好，滞留床吸附性能的主要影响因素包括：气流比速、压力、温度、活性炭含水量。设计的滞留床具有以下特点；常温操作，设备与操作过程较简单，操作压力低，比较安全；炭床体积小，活性炭更换次数少。     

用于放射性核素吸附分离的有机多孔材料研究进展

在核能的开发利用过程中会不可避免地向环境系统释放放射性核素,对核能发展及环境安全造成压力。放射性污染介质的净化修复是核环境安全和核能可持续发展所关注的重要方面,也是人与自然和谐共生的重要前提。近年来,有机多孔材料由于稳定性好、比表面积大、易于进行结构调控和功能化等优点,作为一类新型吸附材料在环境放射性污染治理领域展现出巨大的潜能。本文介绍近年来有机多孔材料在放射性核素分离领域的研究进展,并从计算机辅助设计和实际应用两方面,讨论有机多孔材料在放射性核素吸附分离方面的机遇与挑战,以期为我国开发高效的放射性污染控制方法和工艺提供参考。     

席夫碱型阳离子共价有机聚合物对99TcO-4化学替代物ReO-4的高效吸附分离

高锝酸根（TcO^-₄）的裂变产额高、环境迁移能力强、半衰期长,高效分离去除TcO^-₄在放射性环境治理和乏燃料后处理过程中具有重要意义。然而目前只有少数材料可以从水溶液体系中吸附TcO^-₄,研发动力学快和耐酸性的吸附材料仍然具有挑战。为此,通过席夫碱反应合成了两种阳离子共价有机聚合物材料（BPA-TAB-Cl和BPA-TAE-Cl）吸附ReO^-₄（TcO^-₄的非放射性类似物）。两种材料均具有超快的吸附动力学,几乎可以定量地在20 s内去除溶液中的ReO^-₄。即使在pH=2溶液中,材料的吸附能力也没有受到明显影响。在溶液中NO^-₃浓度超过ReO^-₄浓度100倍的情况下,两种材料也可以分别去除84%和79%的ReO^-₄,显示出优异的吸附选择性。在四次吸附-解吸循环之后,两种材料的吸附能力几乎没有变化。最后,吸附机理证实阴离子交换后两种材料中均存在ReO^-₄。结果表明,利用共价有机聚合物去除放射性污染物具有广阔前景。