[其他]分离钆同位素的工艺流程

说明书

本发明是一种从含有稀土同位素的混合物中分离稀土同位素的工艺流程。该工艺可用于从钆同位素的混合物中分离一些专门指定的钆同位素，或是从钆的其它同位素和其它稀土元素的混合物中分离专门指定的钆同位素。

核反应堆的运行可以从“核经济”的观点来描述，简单说来，核燃料的裂变释放一或多个中子，而只要求有一个中子用来维持连锁反应。一个核反应堆的许多设计特点，是以这些特点对核经济的影响为基础的。具体说，核反应堆使用的材料是根据它们的中子俘获截面及其它性能来选择的。低б的材料被选作大多数的反应堆部件，如支承结构、燃料棒包壳、减速剂等等。高的材料则被选作具有特殊用途的部件，如控制棒和可燃中子吸收体补偿棒。可燃中子吸收体补偿棒是一种加入量经过仔细选择的高б材料，以便在燃料周期的早期用来降低中子通量，而在吸收中子后则变为辐射线可以透过的或中性的，因此在燃料周期的后期有较多的裂变中子为燃料所吸收。

天然同位素混合物中最高的元素为钆。但是，它的使用受到限制，因为当钆的浓度增高时，燃料的热导率和熔化温度降低。此外，一般认为生产重量百分率高的（重量百分率约为8的）燃料，要比生产重量百分率低的（重量百分率约小于4的）燃料要更为困难。如下表所示，只有两种同位素具有高的吸收能力：

天然存在的钆同位素的性能

同位素质量    天然丰度    δ（热中子），靶

152    0.20%    125

154    2.15    102

155    14.73    61，000

156    20.47    1，000

157    15.68    254，000

158    24.87    3.5

160    21.90    0.77

如表所示，Gd¹⁵⁵和Gd¹⁵⁷在钆的同位素中具有最高的δ值，但仅仅构成天然钆的30%左右。利用同位素富集工艺提高高δ同位素的丰度，而同时降低不利的影响，就可以降低因增加用钆作可燃中子吸收体补偿棒的比例而增加的费用。

已经提出过各种用于分离或富集同位素的工艺流程，例如那些利用光化学反应，激光技术和离子交换分离的流程。如1976年美国核学会出版的S.Villani所著的《同位素分离》中描述的，许多同位素分离流程以化学交换作为基础。一种方法是离子交换色谱法，这种方法是使一种以离子形式出现的包含有感兴趣元素的溶液通过一根离子交换树脂柱。离子的交换在树脂结合形式离子和溶液相形式离子之间进行。一般说来，含有重同位素的离子被浓缩在较重的组分中，在离子交换的情形下就是树脂。

稀土元素的商业性提纯方法原先是以离子交换分离为基础的。使人特别感兴趣的是色谱学杂志1976年26卷发表的F.Molnar，A.Horvath和V.A.Khalin的两篇文献，第一篇题目是“含中性硝酸盐的甲醇水溶液中轻稀土的阴离子交换行为。Ⅰ.无载体轻稀土的分离”（PP，215～224）;第二篇题目是“含中性硝酸盐的甲醇水溶液中轻稀土的阴离子交换行为。Ⅱ.大量-微量分离”（PP.225～231）。这两篇文献报告了稀土元素的分离，特别是报告了钆与周期表上相邻元素铕和铽之间的分离。文献中列举的色谱具有不对称的形状。本发明人认为，色谱峰形状受到了小程度的同位素分离的影响，虽然文献作者并没有作出这样一种解释。

因此，本发明在于提出一种分离稀土金属同位素的工艺流程，它也包括一种从含有Gd¹⁵⁵、Gd¹⁵⁶或Gd¹⁵⁷的钆同位素混合物中分离出一种或几种特定的钆同位素的工艺流程，该流程是通过一种使用阴离子或阳离子交换树脂的液体色谱柱系统来实现的。其流程特点在于使含有上述钆同位素混合物的溶液和一种洗提溶液通过许多根含离子交换树脂的柱子;而当上述溶液流出上述许多根柱子中最后一根时，将一段富集了上述选定的钆同位素的溶液从洗提溶液其他部分分离出来。