Table Of ContentISBN 978-3-662-23252-1 ISBN 978-3-662-25274-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-25274-1
Sonderdruck aus
"Nukleonik", 8. Band, 9. Heft, 1967, S.389-392
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Neue experimentelle Möglichkeiten bei der Untersuchung der Diffusion von Edelgasen
in spaltbarem Material *
Edelgase in Festkörpern, 30. Mitteilung
F. W. FELIX und H. SEELIG
Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung Berlin, Sektor Kernchemie
Eingegangen am 21. Dezember 1966
Zusammenfassung. Neue Verfahren zur Messung der Diffusion von Ar, Kr, Xe und J-Kukliden in Festkörpern werden ange
geben. Als Anwendung wird die gleichzeitige Diffusion von Ar und Xe in U-dotiertem CaF bei meßbarer Verdampfung der
2
Probe, die Messung der Kr-Diffusion in U02- und UC-Einkristallen bei sehr niedriger Bestrahlungsdosis sowie die gleichzeitige
Diffusion von Kr und J in U0 beschrieben_ Einige Ergebnisse zur gleichzeitigen Diffusion von Ar, Kr und J in U-dotiertem
2
CaF zeigen schließlich die Anwendung der Methoden auf ein kompliziertes System.
2
Abstract. The production of radioactive rare gases in solids by neutron irradiation was systematically studied. Methods for
the separation and quantitative monitoring of the gases were developed. These methods allow to determine the simultaneous
diffusion of Ar, Kr, Xe und I in a suitable solid by a simple measurement of the gaseous activity. i. e. without gas chromato
graphie separation or pulse height analysis.
Examples for gas diffusion measurements in single crystals of U02, UC and U-doped CaF2 are given.
Einleitung Unter den prinzipiell möglichen Edelgas-Bildungs-
Die Erzeugung von radioaktiven Edelgasen in Fest reaktionen im Reaktor,
körpern durch Neutronenbestrahlung wurde syste Alkalimetall (n, p)-Reaktion,
matisch untersucht, und es wurden Methoden zu ihrem Erdalkalimetall (n, IX)-Reaktion,
quantitativen Nachweis und zu ihrer Trennung ent Spaltmaterial (n, f)-Reaktion,
wickelt. Die Verfahren erlauben die Messung der gleich
sind deshalb praktisch Einschränkungen zu treffen.
zeitigen Diffusion von Ar, Kr, Xe und J in geeigneten
Festkörpern. Dies erfolgt durch einfache Aktivitäts In Abb. I sind die (n,p)- und (n,IX)-gebildeten Edel
messung ohne Inanspruchnahme von gaschromato gas nuklide angegeben. Ar-39 stellt insofern eine Aus
grafischen Trennungen noch von Impulshöhenanalyse. nahme dar, als es dank günstiger kernphysikalischer
Daten trotz seiner langen Halbwertzeit in hoher spezi
fischer Aktivität erhalten wird.
1. Bildung der Edelgase durch Neutronenbestrahlung
Ahnlich zeigt Abb. 2 die praktisch interessanten
Zur Messung der Edelgasdiffusion ist die Erzeu Spaltedelgasisotope. Hier ist zu beachten, ob die
gung einer ausreichenden und homogen verteilten Edelgasisotope bei abgeklungener Mutter-Aktiyität
Edelgasaktivität nötig. Außerdem ist für die zu er und frei von Tochter-Aktivität erzeugt werden kön
wartenden Diffusionskoeffizienten von höchstens nen. Die erste Bedingung ist notwendig zur Erfüllung
10-5 cm2 S-l eine Halbwertzeit in der Größenordnung der homogenpn Verteilung, die zweite zum eindeuti
von mindestens Stunden sinnvoll. gen Nachweis des gewünschten Isotops.
* Beitrag zum Symposion der Gesellschaft Deutscher Ein Blick auf die Spaltgasketten zpigt, daß die
Chemiker über Reaktorchemie, Jülich, 3. und 4. 10. 196(i, Fordprungen am pinfachsten für Xe-133 prfüllt wer-
390 F. \V. FELIX und H. SEELIG: Untersuchung der Diffusion von Edelgasen in spaltbarem Material Nukleonik
n.p n. Cl( den können, das naeh einer Abklingzeit von ca.
5 Tagen nach der Bestrahlung als einziges Edelgas
Li Be nuklid überhaupt vorliegt. Xe-13:3 ist deshalb aueh
seit Jahren für diese Untersuchungen verwendet
Na Mg
worden.
K Ar 39 260a Ar 4' '.8h Ca Ar 373 4.3d Ar 4' 1.8h Die KBanendi nKgurn gä,h ndlaicßh deiien dMeuutitgte rbaeksttiivmitmätt bweei rdVeenr?
Rb Kr 85m4 .4h Kr 87 73mi" Sr Kr85m4 .4h suchsbeginn abgeklungen ist, wird zumindest für drei
der vier in Frage kommenden Isotope erfüllt. Eine
Cs Xe'33m 2.3d Xe' 335 .3d Ba Xe'35 9.2h Xe'335 .3d Trennung und damit ein eindeutiger Nachweis eines
Isotops allein ist weder auf Grund der Halbwertzeit.
Fr Ra
noch der ß-Absorption möglich. Kr-S8 weist aber als
einziges Isotop ein aktives Rb-Tochternuklid auf.
Abb.1. Bildung von radioaktiven Edelgasen, durch (n,p)· und
(n, ,,)·Reaktionen geeignet zur Messung der .-\ktivierungsdiffusion Eine ausdiffundierte Gasprobe kann deshalb so lange
gelagert werden, bis sich Rb-88 entsprechend der
Funktion exp ( - AKrt) - exp ( - ARbt) ins Gleichge
83 0,42- 2.4-1,9-. 0.5 wicht mit Kr-88 gesetzt hat, cl. h. ca. 2 h. Ist die Gas
probe auf Aktivkohle adsorbiert, so kann nach dieser
._44!- --. l5
Zeit das Edelgas quantitativ entfernt werden und auf
B5
0.3 der Kohle direkt zurückbleibendes Rb-88 gemessen
werden. Diese Trennung erlaubt also den indirekten
B7 .-1.3-. 2.7 Nachweis von Kr-88 neben beliebigen flüchtigen
Nukliden. Abb. :3 zeigt cine schematische Darstellung
BB e-2.8- 0.29-· 3,7
des Meßverfahrens.
Ganz ähnlich ist ein indirekter Nachweis beim
J-l:35 möglich. Damit kann ein sehr wichtiges Pro
..,..-p3.0 .... 288 0.03 blem - die Jodabgabe aus Kernbrennstoffen - meß
131 0.38 l 193": technisch sehr viel einfacher gelöst werden als es bis
........ 0.4,............. ............ :_ . her versucht wurde. Die Bedingung der homogenen
Anfangsverteilung ist wegen der kurzen Halbwertzeit
l0l5 .......... 5l5 0.2 der Mutteraktivität Te-l:35 gegeben. Wenn nun zu
133 20.8
.,............. 126-. 6.5 sätzlich in einer Diffusionsapparatur nachgewiesen
werden kann, daß .Jod diese nicht über die Gasphase
........... 0l.3 verläßt, sondern adsorbiert oder chemisorbiert in ihr
135 .-6,7 &2
vorliegt, so kann am Ende eines Diffusionsversuches
.......... 9.13-.
alles ausdiffundierte Edelgas entfernt werden. Das
138 ._0.3_0.54_. 5,8 ausdiffundierte Jod hingegen bleibt trägerfrei in der
Apparatur zurück, und es wird, wieder entsprechend
[tY2]=hi .:th<15m .:tY2>10d einer Funktion exp( --AXet) -exp( -AJt), Xe-135
Abb.2. Spaltproduktketten, die geeignete radioaktive Edelgase enthalten.
1. Spalte: ~rassenzahl, 2. Spalte: t! in Std, 0 t!< 15 min, e t ~ > 10 d. gebildet, das nach einer ausreichenden Wartezeit ge
3. Spalte: Spaltausbeute der Edelgasisotope sammelt und gemessen werden kann.
ci.. Abb.4 zeigt wieder schematisch die Methode. Es
E
ergibt sich daraus, daß hier für die Aufnahme der Dif
~
fusionskinetik ein diskontinuierliches Temperaturpro
t
gramm notwendig ist.
Auch dieser Nachweis ist neben anderen Edelgas
Nukliden möglich. Das Verfahren kann also mit dem
vorhergehenden kombiniert werden. Abb. 5 gibt
einige Hinweise über die praktische Durchführung
solcher Diffusionsversuche.
2. Trennung verschiedener Edelgas-Nuklide
- Die Trennverfahren sollen an dem von LAGER
WALL [1] vorgeschlagenen System U -dotiertes CaF2 /
:..1.1.1 Edelgas erläutert werden. Durch eine Neutronenbe
-
:~ strahlung dieser Kristalle werden gleichzeitig Ar
Isotope und Spalt-Produkte gebildet. Schon durch
~
oe{
Variation der Bcstrahlungs- und Abklingzeiten lassen
t sich trenngünstige Bedingungen schaffen, die in
Tabelle 1 gezeigt werclen.
Alle diese Trennungen nützen die verschiedene
Absorption der Strahlung bzw. die verschiedene Halb
o 5 15 wertzeit aus. Einzige Ausnahme ist Ar-41, das sich
[hJ nach diesen Prim:ipien nicht in Gemischen nachwei
AbI,. 3. Messung der Kr-H~-j)iff1l8ion. Gereehnetcs Beispiel für (abge sen läßt. Die quantitative Trennung ist hier nur durch
gehener Kr-Bfuehteil)2 eOllst t [hlt" la, 13 Zeitpunkte für (;aRent.na.tlflJ{~ gaHchromatografische Trennung möglich, vgl. [2].
im isothermen Ycnmeh Kr" Krr, Kra zu I,. 12• t:1 augegebener Bruchteil P
9. Bd., Helt 8,1967 F. W. FELl X und H. SEELIG: Untersuchung der Diffusion von Edelgasen in spaltbarem Material 391
Tabelle 1. Trennverlahren bei P AD-Versuchen an U -dotiertem
CaFz
Bestrah- Abklingen Nuklide bei Trenn-Verfahren
I ung Versuchs-
beginn
MK
lang lang Ar-37 Ar-37 auf 1 % durch MK
Xe-133 10 mgjcmZ Absorber
herabsetzen
kurz kurz Ar-41, -37 a) isothermer Versuch
EKr Kr-88 durch Rb-88
EXe nachweisen
J-135 Ar-37 im Restgas Prop. ZR
nach 7 d Abklingzeit
b) diskontinuierliche Erhitzung
Gasprobe bei Erhitzungsende :
Kr-88} . )
Ar-37 wIe a
Gasprobe vor neuer
Erhitzung:
J-135 durch emaniertes
Xe-135 nachweisen
P
ci.
E ~J
~ RF
t
I
II Abb.5. Diffusionsapparatur. P Probe im w- oder Graphittigel, ::::: Hoch
freQuenz-Induktionsspule H,O Wasserkühlung, Pi Pirani-Vakuummeß
I
röhre, KF Kohlefalle zur Adsorption des ausdiffundierten Edelgases,
I VP Vorvakuum, MK Meßkammer zur Gasprobennahme (ca. 35 ml Nutz
J~al~----~---,,----------.-----,,---------~ volumen, Hostaphanfenster 55 mm0, 0,02 mm Dicke), RF Kohlefalle zur
Abtrennung von Rb-S8, Prop. ZR Proportional zählrohr zur Messung von
J~ MK und RF
J~
X. . -133 Ar-Yl
12400C 12400C
.I
/
/
1
.l
.I
/
o
!
I
Abb.4. Messung der J-135-Diffusion. Gerechnetes Beispiel für (abge o 2 o \ 2
gzeeibteenne, rX Je-"B rXuceh" teiXl)e' ,~ w cäohnrsetn td [ hbl, .a.". ag,e.b iald, eHtee iXzzee-iAteknt,i vb"i tätb," J"b , JW" arJte, : t[h) -ICh)
Xe, ... entsprechende Mutteraktivität, J~, J~, Jg: auf Versuchsbeginn
extrapolierte Jod-Aktivität
Ziemlich rein kann Ar aus einem bei -196° C an
Kohle adsorbierten Gasgemisch selektiv durch Tem
peraturerhöhung auf - 30° C desorbiert werden. Eine
Trennung Ar-41/Ar-37 ist dann wieder durch Beob
achten der Halbwertzeiten möglich.
3. Anwendungen
Ar/Xe-Trennung. Abb.6 gibt ein gutes Beispiel
für die Messung der Diffusionskinetik an einem ver o 3 4
Hh)
dampfenden Probenkörper. Da DAr> D ist, wird die
Xe Abb.6. Weichzeitige Ar-und Xe-Abgabe aus V-dotiertem (·aF.
Verdampfung die Diffusion des Xe stärker beeinflus
sen. In der Tat zeigt sich, daß bei 1050° C die Ar- und
F-t-Gesetz, d. h. proportional der verdampfenden
Xe-Abgabe das Vt-Gesetz befolgen. Bei Temperatur Masse abgegeben wird. Oder anders ausgedrückt: die
erhöhung und damit meßbarer Verdampfung bleibt Verdampfung trägt nur Schichten ab, aus denen Ar
die Ar-Kinetik unbeeinflußt, während Xe nach einem bereits durch Diffusion ausgelaufen ist.
392 F. W. FELIX und H. SEELIG: Untersuchung der Diffusion von Edelgasen in spaltbarem Material Nukleonik
Kr-SS-Diffusion. Ein besonderer Vorteil des Kr-SS zeitlich sehr viel später verwendet, so daß der Effekt
gegenüber Xe-133 liegt darin, daß zur Erzeugung der gegebenenfalls auch auf vermehrter Rißbildung be
gleichen spezifischen Aktivität unter gleichen Meßbe ruhen könnte, die für UC typisch ist.
dingungen eine 100mal geringere Dosis benötigt wird.
Kr/J-Trennung. Der Vergleich der Versuche mit
Dies bedeutet eine Erweiterung des Meßbereichs,
Kr-SS/J-135 Trennung und Xe-133-Versuchen der
wenn der Einfluß des Strahlenschadens auf die Diffu
Tabelle 4 untereinander und mit Tabelle 2 zeigt, daß
sion untersucht werden soll.
Als Beispiel dienen Messungen an kugelförmigen
Tabelle 4_ PAD-Versuche an U0 -Einkristallen. Material:
U0 -Einkristallen (Hanford, USA), vgl. Tabelle 2. 2
2 Hanford (USA). Dosis: 6·1014Fiss./cm3
Nr. oe ]) [ern' s")
Tabelle 2. P AD-Versuche an U0 -Einkristallen (Dosisabhän
gigkeit). Material: H2anford (USA) Kr-88 Xe-133 J-135
Nr. oe DKr-•• [em' S") 1 1500 4,1,10-13 4,1,10-13
2 1500 8,4,10-14 2,8,10-13
5 .1012 Fiss./em' 6 ,10" Fiss./em' 3 1500 2,8,10-13
1 1400 5.10-13 4 1500 5,8,10-14
32 11550000 5.10-13 4.10-13 56 11555500 3,8'10-12 1,4'10-13 3,0'10-13
4 1500 8.10-14
5 1550 4.10-12 die Abgabe offenbar unabhängig von Nuklid, Edel
6 1580 1.10-11
gasradius und Dosis erfolgt. Da zudem die Absolut
7 1600 1.10-12
8 1650 3.10-12 werte für D sehr niedrig sind, kann keine ideale V 0-
lumendiffusion vorliegen. Die Abgabe scheint viel
mehr durch Selbsteinfang der Spaltprodukte in ihren
Ein auffallender Einfluß der Bestrahlungsdosis be Spaltkanälen bestimmt zu sein.
steht offensichtlich nicht.
Ar-, Kr-, J-Trennung. Tabelle 5 zeigt schließlich
Tabelle 3 zeigt analoge Messungen an UC-Einkri
stallen. Die für UC typische Edelgasabgabe : kräftiger Messungen an U -dotiertem CaF 2' um die Anwendung
der Methoden auf einen komplizierten Fall zu zeigen.
Aktivitätsstoß bei Erhitzungsbeginn und anschließend
sehr schwache Abgabe wurden unverändert auch bei Qualitativ zeigt sich, daß J oberhalb 10000 C etwa
Kr und niedriger Dosis gefunden. Allerdings scheinen wie Ar beweglich ist, unterhalb 10000 C bestehen da
gegen große Unterschiede in der Beweglichkeit von
die Kr-Werte höher zu liegen als die unabhängig be
Ar, Kr und J.
stimmten Xe-Werte bei 100- bis 1000facher Dosis.
Eine Entscheidung, ob hier tatsächlich eine Dosisab
Tabelle 5. Gleichzeitige Abgabe von Ar, Kr und J aus CaF -U.
hängigkeit vorliegt, ist noch nicht möglich. Für die 2
Material: Einkristalle (Semi-Elemente USA).
Kr-Messung wurde zwar das gleiche Material, aber U-Gehalt: ca. 0,05 Mol-%
oe
Nr. D [em's")
Tabelle 3. PAD-Versuche an UC-Einkristallen. Material:
Ar-37 Kr-88 J-135
C .C. R. (Ispra)
DKr-88 [em' s"} DXe·133 I 945 <: 5.10-8 1.10-10 1.10-12.
2 1000 4.10-8 7.10-10 1,5,10-8
5 '1012Fiss./em' 6 '10" Fiss./em' 3 ·lO"Fiss./em' 3 1100 1,4,10-7 1,3,10-7
1 1400 2,5 .10-12
2 1500 2.10-15 Die Arbeit wurde im Rahmen des Gemeinsamen Pro
3 1500 5,5,10-15 gramms EURATOM/USA (Kontrakt Nr. 028-64-1 TEE R + D)
4 1600 4,5'10-9 durchgeführt.
5 1600 1,2 .10-11
6 1600 3,6 .10-13
7 1700 3,3'10-9 Uteratur. [1] LAGERWALL, T.: Trans. Chalmers Univ.
8 1700 <: 6,0,10-9 Techno!. Gothenburg, Sweden Nr. 307, 1965. - [2] FELIX, F.
9 1700 8,6,10-13 (ed.): EUR 2848d, 1966.
10 1800 9,3 .10-12
Dr. F. W. FELIX
11 1800 1,4,10-14
Hahn-Meitner-Institut für Kernforschung
12 1900 1,5 .10-10 Berlin, Sektor Kernchemie
13 1900 2,3 .10-12
1000 Berlin, Glienickerstraße 100
