气相色谱法测定燃料元件裂变气体中氪、氙-北京普瑞分析仪器有限公司

气相色谱法测定燃料元件裂变气体中氪、氙

采用普瑞GC-9280系列气相色谱法测定燃料元件裂变气体中氪、氙的含量。用100°C的填充分子筛的不锈钢色谱柱分离，热导监测器监测。氪和氙的体积均在0.3∽100μL范围内与其峰面积呈线性关系，方法的检出限（3S/N）均为0.03μL。氪、氙的加标回收率分别为98.0%，98.7%，测定值的相对标准偏差（n=6）分别为1.0%，1.1%。方法用于国产燃料元件裂变气体的分析，结果表明：所测试燃料元件中释放氪、氙气体含量分别在3.33∽39.52μL和25.19∽288.80μL之间，氙与氪的体积比在6.7∽7.6之间。

85Krm、85Kr、87Kr、88Kr、133Xem、133Xe、135Xem、135Xe、138Xe等氪和氙变气体是核燃料中的235U第核素在列变过程中产生的，大部分积贮在辐照后燃料元件芯块内，少部分释放到芯块与包壳间的空隙里。裂变气体会引起燃料芯块辐照肿胀，增加元件内压，降低燃料元件的传热性能，研究它的行为是反应堆元件设计和安全运行的重要课题。

准确测量燃料元件所释放出来的氪、氙气体各自的总含量，对确定氙／氪比、裂变气体释放率以及与燃耗的关系非常重要。不同的燃料芯块、不同的制作工艺、不同的燃耗值和不同的 235Ｕ丰度所产生的裂变气体总量和裂变气体释放率均有很大差别。国家“九五”规划中的高性能燃料元件３×３－２小组件中平均燃耗31GW • d／t的老元件裂变气体释放率约２０％[2]，平均燃耗6.5GW • d／t的新元件裂变气体释放率约４％；而某二氧化铀燃料元件随燃耗的不同，氪和氙的释放率分别仅为0.10%～0.34%和0.12%～0.38%[38]。对刺破燃料元件后释放来的裂变气体含量进行准确的分析，通过裂变气体释放率反映出气体释放的难易程度，结合燃料元件的几何尺寸、235U丰度和燃耗值等其他信息，可以获得有价值的细节信息，如燃料芯块有裂纹会导致裂变气体释放率大幅增加，包壳破损的燃料元件则会出现异常低的裂变气体含量等信息。

虽然85Kr、133Xe、135Xe等裂变气体核素均有放射性，会放射出β射线、γ射线等，专用的核探测仪表对其分析灵敏度很高[4]，但真实的裂变气体样品较复杂，不仅多种核素混在一起,且各个放射性核素的半衰期和转化方式也有很大不同，对裂变气体氪、氙的总量进行定量分析时，气相色谱法是分析燃料元件释放的裂变气体氪、氙总含量的基本方法[5-6]。

本工作采用气相色谱法对燃料元件裂变气体氪、氙总含量进行定量分析。

1、实验部分

1.1仪器与试剂

普瑞GC-9280型气相色谱仪，配配热导检测器（TCD）,10mLＬ阀式气相色谱注射器；78.39mL玻璃采样器。

氪、氙标准气纯度均不小于99.995%。

1.2色谱条件

自装色谱柱，将粒径0.2-0.3ｍｍ的5A分子筛再次过筛后放入马弗炉中，于330°C烘4h，置于干燥器中冷却至常温。在负压下将分子筛加入柱子，把色谱柱接入气相色谱仪，并在330°C下老化6h。

柱温100°C；进样口温度120℃ ；检器温度120℃；热丝温度220℃ ；载气为氦气（纯度不小于99.995%）流量30mL• min-1参考气流量30mL• min-1；尾吹气流量10mL• min-1；增益1倍；基线波动小于９μＶ•ｈ-１；进样方式为注射器手动进样，进样量为0.3～100μL。

1.3实验方法

1.3.1样品的获取

在热室内利用专门的打孔工具对燃料元件棒刺孔，用专门的裂变气体释放和收集装置将元件内气体收集在玻璃采样器内，供气相色谱分析。

1.3.2样品测定

按色谱条件分别分析氪、氙标准气50μＬ，检查仪器状态阀式气相色谱注射器，将阀打开，刺入玻璃采样器并抽取气体样品（每次抽至注射器１０ｍＬ刻度），关阀后从玻璃采样器中抽出，针头插入色谱进样口后将阀打开，迅速将样品注入。完成本次分析后重复上述操作，对玻璃采样器内剩余气体样品再进行两次取样和分析。

1.3.3数据处理

根据所测样品的峰面积，利用氪、氙标准气体的线性关系计算出体积，再除以样品的分取比，即可得出玻璃采样器内氪、氙样品各自的总体积。结合玻璃采样器的内部气压，即得玻璃采样器内裂变气体氪、氙的百分含量。

样品的分取比公式为：

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