Исследование разработки ядерно-физических методов анализа для определения урана в образцах фосфорита и угля

Монгольский Государственный Университет

Факультет Физики и Электроники

Кафедра ядерной физики и технологии

ГАНТУМУР ДАМДИНСУРЕН

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРАНА В ОБРАЗЦАХ

ФОСФОРИТА И УГЛЯ

Автореферат

дипломной работы на соискание магистрской степени  по ядерной технологии

Улаанбаатар

2013

Дипломная работа  выполнена в Центре Ядерных Исследований, Монгольского Государственного Университета

Научные руководители:

Доктор (Sc. D), профессор П. Зузаан

Доктор (Ph. D), профессор Б. Отгоолой

Официальный оппонент:

Доктор (Ph. D), профессор  Р. Галбадрах

Доктор (Ph. D)  Ц. Амартайван

Защита дипломной работы состоится … 2013 года в.... часов на заседании комиссии по защита магистерских (M. Sc) работ в области физики:  в аудитории №…,1–ый корпус Монгольского Государственного Университета.

Ученый секретарь комиссии по защите магистерских (M. Sc) работ:

Доктор (Ph. D) Ш. Мөнхжаргал

Введение

В результате утверждения юридических документов и государственной политики, долговременных программ наше правительство приняло решение о введении радиоактивных полезных ископаемых в экономический оборот. Решено обратить особое внимание на  использование ядерной энергии и ядерной технологии в индустрии и науке. В настоящее время утверждённый запас урана в недрах Монголии составляет 49,9 тысяч тонн, по этому показателю Монголия занимает 15-ое место в мире, по прогнозу специалистов запас урана увеличится. В связи с этим важным правительственным решением научные организации, ВУЗ-ы, а также монгольские и зарубежные компании приняли активное участие в поиске и разработке месторождений радиоактивных руд, в научно-исследовательских работах высокой технологии и проведении ядерно-физического анализа для контроля радиоактивных изотопов в природе, индустрии и в других отраслях народого хозяиства.

Как известно геологические исследования очень трудоёмки, требуют больших капитальных затрат, высокой технологии и времени. Одной из важных проблем  является точное определение содержание урана и других компонентов в рудах, что является важным фактором для точного  установления геологических запасов урана.

Определение концентрации урана является также важной проблемой для  определения урана в фосфорите, углях и  получаемых из них продуктов. Монголия богата фосфоритом, и запасы фосфорита в Хувсугульском, Завханском бассейнах составляют 6.7 млрд тонн.

Фосфорит является главным сырьем для получения удобрений и он содержит разные концентрации урана в зависимости от возраста, генезиса и метеорологии того времени. Фосфорит является вторым сырьем урана. Например, по расчёту МАГАТЭ содержание урана в Мароканских фосфоритах составляет 6 млн. тонн.

В связи с этим Центр ядерных исследовании МонГУ проводит методологические исследования  по  ядерно-физическим методам анализа урановой руды, фосфоритов, угля и продуктов их технологической переработки.

Целью настоящей работы является разработка и выбор методики  определения урана в образцах фосфорита и каменного угля гамма - спектрометрическим и активационным методами анализа.

объекты и методы исследования

В этом разделе дан обзор особенностей объекта исследований и рассмотрены основные характеристики экспериментальной установки, применяемый в нейтронно-активационном анализе и гамма - спектрометрических измерениях.  В качестве объектов иссследования были выбраны образцы фосфоритов и угля. Обсуждены некоторые распространенные способы, используемые в ядерно-физических методах анализа. 

Гамма-спектрометрический метод анализа

Как известно, при урано-радиевом равновесии для определения концентрации урана широко используются гамма линии его дочерних продуктов с достаточным выходом. В частности,  содержание  238U определяется относительным и абсольютным методами гамма спектрометрического анализа по линиям с энергиями 351, 609 кэВ, испускаемыми его дочерними продуктами 214Pb, 214Bi (см. рис.1.).

Измерение активности образцов проводилось на спектрометре с полупроводниковым детектором (HPGe) чувствительным объемом 56 см3 и с разрешением 2 кэВ на линии 60Со. Спектры гамма - излучений обрабатывались стандартной программой SYSTEM-100  фирмы MICROSOFT.

Рис.1. Схема распада изотопа уран-238 

На рис.2 приведен гамма спектр пробы ОФ2 фосфоритного месторождения.

Рис.2. Гамма спектр пробы из Онгилог нуурынского фосфоритного месторождения 

Приведены в таблице1 результаты анализов удельной активности изотопов 234Th, 214Pb и 214Bi по линиям (92,4+92,8 кэВ), 351 кэВ и 609 кэВ соотвевственно.

Таблица.1. Удельная активность изотопов 234Th, 214Pb и 214Bi в образцах месторождений фосфоритов.

№	Месторождение фосфоритов	214Pb, Бк/кг (351 кэВ)	214Bi, Бк/кг (609 кэВ)	238U, Бк/кг ( 92,4+92,8 кэВ)
Оф1	Онгилог	155	192	124
Оф2	Онгилог	262	328	215
Оф3	Онгилог	99	126	81,5
Оф4	Жанхай	77	105	68
Оф5	Жанхай	4,7	21	12,4
Оф6	Хэсэн хяр	15	29	19,8
Оф7	Хэсэн хяр	22	29	35,8

Расхождение результатов анализа по линиям с энергиями  351кэВ, 609 кэВ и (92,4+92,8 кэВ) сведительствует о сдвиге равновесия в ряду 238U и 226Ra.

В условиях неопределенности соотношений между 226Ra и 238U в образцах возникает необходимость разработки другого метода по определению содержания урана.

Известно, что 234Th и 238U в природных средах всегда находятся в равновесии. Поэтому в настоящей работе рассмотрен метод, по которому удельная активность 238U в пробе определяется по линиям его прямого продукта (см. рис.1.) распада 234Th (92,4+ 92,8 кэВ). Применение суммы двух гамма линий (92,4+ 92,8 кэВ) связано с недостаточным разашением HрGe германиевого детектора.

Приведены в таблицах 2, 3  результаты анализов содержания урана по линиям (92,4+92,8 кэВ) изотопа 234Th (ГСМА) и  результаты нейтронно-активационных (НАА) и рентгено-флуоресцентных (РФА) анализов.

Таблица.2. Результаты паралельных измерений по определению содержания урана-238 в образцах месторождений фосфоритовых руд, г/т.

№	Месторождение фосфоритов	ГСМА /ЦЯИ/	НАА /ЦЯИ/	РФА /ИЗК/
1	Онгилог нуур	14.3±2	14.8±0.3	15.1
2	Онгилог нуур	22.4±2.5	23.3±0.6	27.3
3	Онгилог нуур	10.3±1.4	11.3±0.3	12.6
4	Жанхайн даваа	7.8±1.2	9.3±0.3	8.2
5	Жанхайн даваа	2.0±0.3	2.5±0.2	-
6	Хэсэн хяр	1.9±0.4	3.5±0.2	-
7	Хэсэн хяр	2.2±0.5	6.5±0.2	-

Таблица.3. Результаты паралельных измерений по определению содержания урана-238 в образцах некоторых месторождений угля, г/т.

№	Месторождение	ГСМА /ЦИЯ/	НАА /ЦИЯ/	РФА /ЦГЛ/
1	Багануур	1.8±0.4	1.6±0.1	<5
2	Цайдам нуур	1.7±0.4	<	<5
3	Хөөт	4.0±0.7	<
4	Таван толгой	2.6±0.5	3.3±0.1

ЦЯИ – Центр Ядерных Исследований

ИЗК – Институт Земной Коры

ЦГЛ – Центральная Геологическая Лаборатория

ГСМА – гамма-спектрометрическим анализа

НАА – нейтронно-активационный анализ

РФА – рентгенофлуоресцентный анализ

Из данных, приведенных в таблицах 2 и 3 видно,  что результаты анализов по распадам 234Th(92,4+ 92,8 кэВ) хорошо согласуются с результатами других методов.

Нейтронно-активационный метод анализа

Установка НАА

Одной из основных установок  ЦЯИ МонГУ, используемой в последние годы для активационного анализа, был наиболее простой, малогабаритный ускоритель электронов - микротрон МТ-22. Микротрон является весьма интенсивным источником как гамма квантов, так и нейтронов.

Поэтому он позволяет проводить элементный анализ в разнообразных пробах с большой чувствительностью, точностью, высокой производительностью и низкой стоимостью.

Основные рабочие параметры микротрона МТ-22 приведены в таблице 4. 

Таблица.4. Основные рабочие параметры микротрона МТ-22

­­­­­­­­­­­  Параметры	Показатели
Энергия ускоренных электронов	22 МэВ
Средний ток	16 мкА
Длительность импульса тока	2.3 мкс
Интегральный  выход быстрых нейтронов	1011н/с
Плотность потока тепловых нейтронов	108н/см2⋅с
Потребляемая мощность	20 кВт

Установка  для облучения образцов тепловыми нейтронами создана из графитового замедлителя размерами 1200х1200х1000 мм и уранового конвертора /рис. 4/ нейтронов, облучаемого гамма квантами.

Для размещения облучаемых образцов 4 основных и 12 дополнительных каналов расположены в объеме графитовой призмы параллельно с осью уранового цилиндра размером 34х19 мм.

Кадмиевое отношение, рассчитанное по золотому индикатору составило 3.6 для точки, находящейся в центре каналов.

Рис.3. Графитовый замедлитель для облучения образцов.

1-U-238; 2- Ta-181; 3-Электроновод; 4- Полиэтилен; 5-Графит; 6-Каналы для  облучения образцов

Методика НАА

Разработана методика определения содержания урана (238U) в урансодержащих образцах, которая основана на 238U(n,γ)239U 239Np , с использованием тепловых нейтронов.

Образцы для определения содержания урана упаковывались в полиэтиленовые коробки диаметром 40 мм и высотой 10 мм. В зависимости от плотности масса образца составляла 60-80 г. Малая навеска образцов обусловлена проблемой приобретения стандартных образцов.

       После загрузки графитовой призмы образцами проводилось их облучение замедленными нейтронами в течение 2 ч.

       Измерения активности образцов проводились на спектрометре с полупроводниковым детектором (HPGe) чувствительным объемом 56 см3 и разрешением 2 кэВ на линии 60Co. Каждый образец измерялся в течение 2 ч.

Минимальное время охлаждения образцов после облучения составлялось 2 ч. В результате 2-часового охлаждения активность короткоживущих изотопов 239U практически исчезает.

       Содержания урана (238U) в образцах определяли с помощью линии с энергией 228 кэВ, испускаемой изотопом 239Np. На рис.4 показан спектр гамма квантов в области энергии 200-300 кэВ, испускаемых образцом фосфорита. Содержание урана в образце фосфорита составляло 18 ppm.

Рис.4. Спектр гамма квантов образца фосфорита

Излучение линии с энергией 278 кэВ испускается изотопами 208Tl, ряда тория и 227Ra, возникающего при  реакции 226Ra(n,γ)227Ra. Поэтому определение урана с помощью линии с энергией 278 кэВ не рекомендуется.

       Содержание урана Ci в данном i-м образце определяли с помощъю стандартного образца, используя соотношение:

 

где Sc и Si – количество регистрируемых импульсов в стандартных и исследуемых образцах с номером i при одинаковых временных факторах облучения, измерения и выдержки; Pc и Pi – вес стандартных и исследуемых образцов; Cc – содержание  урана (238U) в стандартном образце. Для введения поправок Фi, связанных с изменением плотности нейтронного потока от образца к образцу, использовались медные мониторы.

       При использовании графитового замедлителя на базе микротрона достигнут предел обнаружения урана в геологических образцах 1*10-7г/г.

Результаты паралельных НАА и РФА анализов содержания урана в пробах месторождений фосфорита и угольных шахт приведены на рис.5.

Рис.5. Совпаставление результатов анализов НАА и РФА содержания урана.

Из рис.5 видно, что результаты паралельных измерений для двух методов, хорошо согласуются между собой в пределах допустимых ощибок.

Заключение

Проведен  анализ равновесия удельной активности изотопов 234Th, 214Pb и 214Bi по линиям (92,4+92,8 кэВ), 351 кэВ и 609 кэВ соотвевственно, в пробах разных месторождений фосфоритов Хубсгула. Доказано, что существует сдвиг равновесия в ряду 238U и 226Ra. В связи с этим выбран метод, по которому удельная активность 238U в пробе определяется по линиям его прямого продукта 234Th (92,4+ 92,8 кэВ).  Данная методика позволяет определить содержание урана-238 в условиях неопределенного соотношения между 226Ra и 238U в образцах, находящихся в природных средах. Разработана методика нейтронно-активационного анализа для определения содержания урана (238U) в ураносодержащих образцах, которая основана на реакции 238U(n,γ)239U 239Np   с использованием тепловых нейтронов на миктротроне МТ-22 ЦЯИ МонГУ с пределом обнаружения не хуже 0,1 г/т.  Время полураспада изотопа 239Np 2,36 суток позволяет проводить одновременное облучение  около 60 образцов. Оценены оптимальное время облучения и  минимального охлаждения активности образца (~2 ч). На основе данной методики разработан государственный стандарт для метода определения содержания урана по нейтронно-активационному анализу. Все результаты исследований  были совпоставлены с результатами анализа, выполненнего в других лабораториях и показана достоверность данной методики анализа.

Апровация дипломной работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

VII Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Новосибирск, 19-23 Сентября 2011. Научной конференции естественных наук Монголии,  ХУРЭЛ ТОГООТ-2012. семинаре Центра Ядерных Исследований, 2013 года.

Публикации.

“Определение содержания изотопа  238U пробах окружающей среды с использованием метода гамма-спектрометрии”  МонГУ – Факультет Физики и Электроники, ФИЗИК 362(17), 2012 года. “Метод определения техногенного урана 238U использованием с использованием активации нейтронами”  МонГУ – Факультет Физики и Электроники, ФИЗИК 362(17), 2012 года. “Аналитический ядерно-физический метод определения урана в фосфорите и его технологических продуктах” ХУРЭЛ ТОГООТ-2012, Научной конференции естественных наук Монголии.