Исследование изотопного состава урансодержащих образцов в экстракционно-адсорбционных процессах методами рентгеновской и гамма-спектрометрии
|
Введение 3
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Применение рентгено-флуоресцентного анализа для определения концентрации 6
1.2 Определение изотопного состава и активности гамма-
спектрометрическим методом 8
1.3 Химическое обогащение урана 9
Глава 2. Методика спектроскопических измерений 12
2.1 Подготовка образцов 12
2.2 РФА спектрометр. Подготовка образцов для РФА анализа 14
2.3 Гамма-спектрометр. Подготовка образцов для гамма-
спектрометрических измерений 15
Глава 3. Результаты спектометрических измерений 17
3.1 Определение элементного состава методом РФА 17
3.1.1 Улучшение предела обнаружения предварительным
концентрированием растворов 17
3.1.2 Контроль примесей в технологических жидкостях 23
3.1.3Определение металлов в образцах эндоэдральных фуллеренов 25
3.2 Определение изотопного состава растворов методом гамма-
спектрометрии 31
3.2.1 Гамма-спектрометрическая методика определения изотопного
состава ураносодержащих образцов 33
3.2.2 Спектрометрическая методика определения урана и продуктов его
деления и распада в технологических жидкостях 41
3.3 Химическое обогащение урана по легким изотопам 44
Заключение 47
Список литературы 50
Глава 1. Обзор литературы 6
1.1. Применение рентгено-флуоресцентного анализа для определения концентрации 6
1.2 Определение изотопного состава и активности гамма-
спектрометрическим методом 8
1.3 Химическое обогащение урана 9
Глава 2. Методика спектроскопических измерений 12
2.1 Подготовка образцов 12
2.2 РФА спектрометр. Подготовка образцов для РФА анализа 14
2.3 Гамма-спектрометр. Подготовка образцов для гамма-
спектрометрических измерений 15
Глава 3. Результаты спектометрических измерений 17
3.1 Определение элементного состава методом РФА 17
3.1.1 Улучшение предела обнаружения предварительным
концентрированием растворов 17
3.1.2 Контроль примесей в технологических жидкостях 23
3.1.3Определение металлов в образцах эндоэдральных фуллеренов 25
3.2 Определение изотопного состава растворов методом гамма-
спектрометрии 31
3.2.1 Гамма-спектрометрическая методика определения изотопного
состава ураносодержащих образцов 33
3.2.2 Спектрометрическая методика определения урана и продуктов его
деления и распада в технологических жидкостях 41
3.3 Химическое обогащение урана по легким изотопам 44
Заключение 47
Список литературы 50
В соответствии с международными правилами ядерные материалы в любом агрегатном состоянии или химическом соединении подлежат строгому учету и контролю. Ядерные материалы и продукты ядерных технологий по содержанию радионуклидов разделяются на категории. С этой точки зрения необходимо иметь надежные методы получения полной информации о качественном и количественном составе образцов, начиная с некоторого минимального уровня. Этот уровень устанавливается законодательно и не может быть нулевым из-за природного содержания радионуклидов.
Целью исследования в данной работе является разработка метода определения малых концентраций урана и его изотопов в водных растворах и технологических жидкостях для решения задач учета и контроля ядерных материалов.
Вопросы, касающиеся качественного и количественного состава образца, эффективно решаются спектрометрическими методами. Одним из таких методов является рентгено-флуоресцентный анализ (РФА), который является неразрушающим и экологически чистым методом с высокой точностью и воспроизводимостью результатов. Метод РФА основан на явлении фотоэффекта на внутренних электронах атомов, поэтому его результаты не зависят от формы химического соединения. Первичное излучение выбивает внутренний электрон, а образовавшаяся вакансия заполняется вышележащими электронами. Переходы электронов сопровождаются характеристическим излучением, которое регистрируется.
Другим методом исследования элементного состава образцов является нейтронно-активационный (НАА) или нейтронно-радиационный анализ (НРА). При захвате нейтронов атомными ядрами образца они активируются или переходят в возбужденное состояние. Гамма-излучение, сопровождающее распад дочернего ядра может регистрироваться, что составляет суть НРА. Кроме того, дочернее ядро может быть радиоактивным и являться источником задержанного гамма-излучения, которое также может регистрироваться в НАА. Методы нейтронного анализа отличаются рекордно низкими порогами обнаружения, но зависят от сечения нейтронного захвата. Другой особенностью нейтронного анализа является чувствительность к изотопному составу образца, так как изотопы одного элемента имеют разные характеристические гамма-линии. Это выделяет нейтронный анализ из других видов анализа.
Контроль содержания ядерных материалов предполагает определение не только элементного состава образца, но и его изотопного состава. Поэтому разработка аналитических методик, обеспечивающих достаточный уровень чувствительности и точности, представляется актуальной.
Основной задачей работы является применение и усовершенствование методик РФА и гамма-спектроскопии для определения малых концентраций урана в водных растворах и технологических жидкостях. Акцент в работе сделан на пробоподготовку, использующую экстракционно-адсорбционные процессы с целью предварительного концентрирования изотопов урана в растворах с малой исходной концентрацией.
Новизна полученных результатов определяется использованием экстракционно-адсорбционных процессов протекающих на границе полярной и неполярной среды. Эти процессы ведут не только к концентрации урана в пробе и повышению чувствительности метода, но и к возможности изотопного разделения. Концентрирование урана для уменьшения предела обнаружения аналитической методики проводилось с использованием трибутилфосфата (ТБФ). Использование полипропилена, как неполярной среды предложено впервые.
Апробация результатов работы:
1. Региональная молодёжная научная конференция, г.Санкт-Петербург
2. IX Международная молодежная научная конференция Физика.
Технологии. Инновации ФТИ-2022, г.Екатеринбург
Публикации
1. В.Г. Зиновьев, Д.А. Румянцева, И.А. Митропольский и др. Патент RU
2 756 277 C1, «Способ химического обогащения урана легкими
изотопами», 2021.
2. Д.А Румянцева «Новый способ химического обогащения урана легкими изотопами», «Сборник трудов научной конференции: Будущее науки в Санкт-Петербурге», 2021.
Целью исследования в данной работе является разработка метода определения малых концентраций урана и его изотопов в водных растворах и технологических жидкостях для решения задач учета и контроля ядерных материалов.
Вопросы, касающиеся качественного и количественного состава образца, эффективно решаются спектрометрическими методами. Одним из таких методов является рентгено-флуоресцентный анализ (РФА), который является неразрушающим и экологически чистым методом с высокой точностью и воспроизводимостью результатов. Метод РФА основан на явлении фотоэффекта на внутренних электронах атомов, поэтому его результаты не зависят от формы химического соединения. Первичное излучение выбивает внутренний электрон, а образовавшаяся вакансия заполняется вышележащими электронами. Переходы электронов сопровождаются характеристическим излучением, которое регистрируется.
Другим методом исследования элементного состава образцов является нейтронно-активационный (НАА) или нейтронно-радиационный анализ (НРА). При захвате нейтронов атомными ядрами образца они активируются или переходят в возбужденное состояние. Гамма-излучение, сопровождающее распад дочернего ядра может регистрироваться, что составляет суть НРА. Кроме того, дочернее ядро может быть радиоактивным и являться источником задержанного гамма-излучения, которое также может регистрироваться в НАА. Методы нейтронного анализа отличаются рекордно низкими порогами обнаружения, но зависят от сечения нейтронного захвата. Другой особенностью нейтронного анализа является чувствительность к изотопному составу образца, так как изотопы одного элемента имеют разные характеристические гамма-линии. Это выделяет нейтронный анализ из других видов анализа.
Контроль содержания ядерных материалов предполагает определение не только элементного состава образца, но и его изотопного состава. Поэтому разработка аналитических методик, обеспечивающих достаточный уровень чувствительности и точности, представляется актуальной.
Основной задачей работы является применение и усовершенствование методик РФА и гамма-спектроскопии для определения малых концентраций урана в водных растворах и технологических жидкостях. Акцент в работе сделан на пробоподготовку, использующую экстракционно-адсорбционные процессы с целью предварительного концентрирования изотопов урана в растворах с малой исходной концентрацией.
Новизна полученных результатов определяется использованием экстракционно-адсорбционных процессов протекающих на границе полярной и неполярной среды. Эти процессы ведут не только к концентрации урана в пробе и повышению чувствительности метода, но и к возможности изотопного разделения. Концентрирование урана для уменьшения предела обнаружения аналитической методики проводилось с использованием трибутилфосфата (ТБФ). Использование полипропилена, как неполярной среды предложено впервые.
Апробация результатов работы:
1. Региональная молодёжная научная конференция, г.Санкт-Петербург
2. IX Международная молодежная научная конференция Физика.
Технологии. Инновации ФТИ-2022, г.Екатеринбург
Публикации
1. В.Г. Зиновьев, Д.А. Румянцева, И.А. Митропольский и др. Патент RU
2 756 277 C1, «Способ химического обогащения урана легкими
изотопами», 2021.
2. Д.А Румянцева «Новый способ химического обогащения урана легкими изотопами», «Сборник трудов научной конференции: Будущее науки в Санкт-Петербурге», 2021.
Использование в работе экстракционно-адсорбционных процессов в пробоподготовке стало основой разработанных методов определения малых концентраций урана в водных растворах и технологических жидкостях для решения задач учета и контроля ядерных материалов. Предварительное концентрирование изотопов урана этими методами исследовалось на стандартных методиках рентгено-флуоресцентного анализа и гамма- спектроскопии на растворах с малой исходной концентрацией.
Оригинальные решениями в подготовке образцов, использование спектрометров высокого разрешения и современных методов обработки данных позволило получить следующие результаты.
В процессе измерений методом РФА было обнаружено
неравномерное распределение концентрации урана по высоте вертикальной границы раздела полярной и неполярной фаз в адсорбционной системе (С3Н6)п-ТБФ-5.58М НЫОз.При этом максимум распределения концентрации пришелся на глубину 5-10 мм от поверхности раствора. Измерения с использованием предварительного концентрирования позволили улучшить предел обнаружения содержания урана в растворе с 0.26 мг/мл до 0.17 мг/мл.
Проведен качественный анализ содержания примесей в технологических жидкостях из первого контура реактора и хранилищ отработанного ядерного топлива . Предложенная методика РФА позволила достоверно обнаружить La, Nd и другие элементы, которые можно отнести к продуктам деления. Обнаружены элементы конструкционных материалов в воде. Урана в жидкостях не обнаружено, что свидетельствует о целостности ТВЭЛов.
Методом РФА проведено изучение элементного состава эндофуллеренов в виде порошков, растворов в органических растворителях и фуллеренсодержащей сажи (ФСС). Полученные результаты свидетельствуют о возможности достоверного определения концентрации металлов в наноуглеродных структурах для контроля технологических процессов их получения. Предложенная методика обладает точностью в пределах 10%, но отличается низкими пределами обнаружения элементов.
Гамма-спектрометрическая методика использовалась при
исследовании изотопного состава растворов, содержащих уран.В системе полипропилен (С3Н6)п-ТБФ-5.58 М HNO3 проведена адсорбция урана на границе раздела жидкой и твердой фазы. Подтверждено неравномерное распределение изотопов урана вдоль границы полярной и неполярной сред. Концентрация 235U на дне стакана (h = 50 мм) составила 1.5752±0.0016 ат %.Для определения изотопного распределения урана рассчитано отношение интенсивностей аналитического гамма-излучения с энергиями 185.739 и 92.7 кэВ (I185/I92), а так же отношение интенсивностей гамма-излучения с энергиями 185.739 и 1000.997 кэВ (I^s/Ium). Рассчитанное отношение концентраций 235U и 238исоставило 0.0160±0.0008.
Методом гамма-спектрометрии обнаружено изменение концентрации и изотопного распределения урана на границе твердой и жидкой фаз (вдоль стенки стакана) и в водной фазе (вдоль оси симметрии стакана). Получена зависимость изотопного состава урана от глубины hточки отбора по границе фаз. Экспериментально показано, что полипропилен (неполярный компонент) прочно удерживает комплекс UO2(ЫО3)2-2ТБФ (полярный компонент) в верхней части на границе раздела. При этом более легкие изотопы урана собираются в верхних слоях пленки состоящей из молекул комплекса иО2(ЫО3)2-2ТБФ. Концентрация 235U увеличилась с 0.471±0.007 ат.% в исходном растворе до 1.49±0.02 ат.%, то есть примерно в 3 раза.
Положения выносимые на защиту:
• Усовершенствована РФА методика определения содержания
редкоземельных элементов и3й-металлов в эндофуллеренах и других углеродных наноструктурах.
• Доказано, что использование экстракционно-адсорбционных процессов предварительного концентрирования растворов улучшает предел обнаружения урана и продуктов его распада и деления в технологических жидкостях с малым содержанием урана.
• Обнаружено влияние границы полярной и неполярной фаз на распределение концентрации урана и на распределение изотопов урана по глубине вдоль этой границы.
• Предложен новый способ обогащения урана по легким изотопам, основанный на неравномерном изотопическом распределении урана вдоль границы полярной и неполярной сред.
Оригинальные решениями в подготовке образцов, использование спектрометров высокого разрешения и современных методов обработки данных позволило получить следующие результаты.
В процессе измерений методом РФА было обнаружено
неравномерное распределение концентрации урана по высоте вертикальной границы раздела полярной и неполярной фаз в адсорбционной системе (С3Н6)п-ТБФ-5.58М НЫОз.При этом максимум распределения концентрации пришелся на глубину 5-10 мм от поверхности раствора. Измерения с использованием предварительного концентрирования позволили улучшить предел обнаружения содержания урана в растворе с 0.26 мг/мл до 0.17 мг/мл.
Проведен качественный анализ содержания примесей в технологических жидкостях из первого контура реактора и хранилищ отработанного ядерного топлива . Предложенная методика РФА позволила достоверно обнаружить La, Nd и другие элементы, которые можно отнести к продуктам деления. Обнаружены элементы конструкционных материалов в воде. Урана в жидкостях не обнаружено, что свидетельствует о целостности ТВЭЛов.
Методом РФА проведено изучение элементного состава эндофуллеренов в виде порошков, растворов в органических растворителях и фуллеренсодержащей сажи (ФСС). Полученные результаты свидетельствуют о возможности достоверного определения концентрации металлов в наноуглеродных структурах для контроля технологических процессов их получения. Предложенная методика обладает точностью в пределах 10%, но отличается низкими пределами обнаружения элементов.
Гамма-спектрометрическая методика использовалась при
исследовании изотопного состава растворов, содержащих уран.В системе полипропилен (С3Н6)п-ТБФ-5.58 М HNO3 проведена адсорбция урана на границе раздела жидкой и твердой фазы. Подтверждено неравномерное распределение изотопов урана вдоль границы полярной и неполярной сред. Концентрация 235U на дне стакана (h = 50 мм) составила 1.5752±0.0016 ат %.Для определения изотопного распределения урана рассчитано отношение интенсивностей аналитического гамма-излучения с энергиями 185.739 и 92.7 кэВ (I185/I92), а так же отношение интенсивностей гамма-излучения с энергиями 185.739 и 1000.997 кэВ (I^s/Ium). Рассчитанное отношение концентраций 235U и 238исоставило 0.0160±0.0008.
Методом гамма-спектрометрии обнаружено изменение концентрации и изотопного распределения урана на границе твердой и жидкой фаз (вдоль стенки стакана) и в водной фазе (вдоль оси симметрии стакана). Получена зависимость изотопного состава урана от глубины hточки отбора по границе фаз. Экспериментально показано, что полипропилен (неполярный компонент) прочно удерживает комплекс UO2(ЫО3)2-2ТБФ (полярный компонент) в верхней части на границе раздела. При этом более легкие изотопы урана собираются в верхних слоях пленки состоящей из молекул комплекса иО2(ЫО3)2-2ТБФ. Концентрация 235U увеличилась с 0.471±0.007 ат.% в исходном растворе до 1.49±0.02 ат.%, то есть примерно в 3 раза.
Положения выносимые на защиту:
• Усовершенствована РФА методика определения содержания
редкоземельных элементов и3й-металлов в эндофуллеренах и других углеродных наноструктурах.
• Доказано, что использование экстракционно-адсорбционных процессов предварительного концентрирования растворов улучшает предел обнаружения урана и продуктов его распада и деления в технологических жидкостях с малым содержанием урана.
• Обнаружено влияние границы полярной и неполярной фаз на распределение концентрации урана и на распределение изотопов урана по глубине вдоль этой границы.
• Предложен новый способ обогащения урана по легким изотопам, основанный на неравномерном изотопическом распределении урана вдоль границы полярной и неполярной сред.
Подобные работы
- Исследование изотопного состава урансодержащих образцов в экстракционно-адсорбционных процессах методами рентгеновской и гамма-спектрометрии
Магистерская диссертация, физика. Язык работы: Русский. Цена: 5550 р. Год сдачи: 2022