Использование гамма-плотнометрического анализа для измерения концентрации растворов

УДК 539.17; 621.039

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАММА-ПЛОТНОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

ТПУ

Научный руководитель – , к. т.н., ОЯТЦ ТПУ (ТПУ)

Контроль концентрации растворов в промышленных емкостях – задача, широко распространённая на многих промышленных и энергетических предприятиях, в частности, на предприятиях ядерного топливного цикла. В тех случаях, когда речь идет о делящихся материалах (торий, уран, плутоний), контроль концентрации – наиважнейшая задача для соблюдения норм ядерной безопасности. При нарушении правил обращения с ядерным делящимся материалом могут создасться условия, при которых могут быть достижимы условия критичности. Это может повлечь за собой серьезные последствия для безопасности населения, персонала, а также окружающей среды. Поэтому для контроля концентрации делящихся материалов на предприятиях ядерного топливного цикла большую роль занимают разрушающие химические анализы. Так, проблема определения концентрации урановых растворов в подавляющем случае решается с помощью титриметрического анализа, так как это надежный и экономичный способ, проверенный годами. Одним из альтернативных решений для определения концентрации раствора по его плотности является метод неразрушающей гамма-плотнометрии.

Актуальность внедрения данного метода обусловлена стремлением максимально оптимизировать и автоматизировать процесс производства. Однако, на сегодняшний день современные плотномеры в основном применяются в нефтегазовой отрасли, и они не подходят для работы с ядерным материалом. Необходимо разработать такую методику измерений, которая бы удовлетворяла следующим условиям:

-        отсутствие необходимости в пробоотборе, использование всего объема вещества для анализа;

-        время проведения анализа: 5-10 минут;

-        измеряемый объем: 50-60 л;

-        участие человека в проведении анализа – минимальное.

       Исходя из данных условий, можно поставить следующую задачу: разработать измерительный стенд, способный проводить неразрушающий анализ образца, для периодического контроля концентрации раствора, содержащего делящиеся вещества. В соответствии с этим можно сказать, что гамма-плотнометрический метод может быть использован в данном методе, так как он обладает необходимыми качествами.

Однако, определение концентрации раствора через его плотность сопряжено с рядом проблем. Во-первых, необходимо знать точный химический составе вещества. Во-вторых, необходимо с точностью до определить массовый коэффициент ослабления растворов. Для этого существует программный пакет PhotonAttenuation, работа которого осуществляется в программной среде MathLab. С помощью данного программного пакета можно определять как массовый, так и линейный коэффициенты ослабления различных сложный веществ, исходя из их массового соотношения и отношения зарядового числа к массовому числу элемента.

Также трудностью в использовании данного метода является необходимость применения источников гамма-излучения с энергетическим диапазоном испускаемых гамма-частиц, равным 1 МэВ или выше.

Несмотря на эти недостатки, использование гамма-плотнометрического стенда может быть вполне оправдано в некоторых конкретных случаях. Например, в случаях, когда в производственном помещении необходимо контролировать изменения концентрации раствора со временем. В таком случае на первый план выходит чувствительность метода, а не его точность.

Как уже было сказано выше, для работы стенда необходимо использовать достаточно мощный источник гамма-излучения. В нашем случае использовался стандартизованный радиоизотопный источник кобальта 60, с активностью менее 1 МБк и энергией испускаемых частиц, равной 1,2 МэВ. Этого было достаточно для проведения экспериментов, однако использовать подобный источник на производстве невозможно из-за низкой активности последнего. Для создания подобных стендов на производстве необходим более мощный источник, с активностью выше 100 МБк. Находиться рядом с таким источником длительное время небезопасно, поэтому использовать такой метод можно только в процессах, где участие персонала сведено к минимуму (периодический контроль аппаратуры, емкостей и т. д.). При выполнении выше сказанных условий воздействие на человека будет минимальным и не будет превышать норм, установленных в НРБ. Так как управление данным стендом осуществляется дистанционно, необходимости находиться в одном помещении с источником излучения нет.

Основной задачей данной работы была разработка методики неразрушающего гамма-плотнометрического анализа и, в последствии, разработка измерительного стенда на основе данного метода. Схема разработанного стенда представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема измерительного стенда

В результате проделанной работы было проведено около 100 измерений с растворами а также с твердыми образцами, такими как алюминий, свинец. На основе полученных результатов можно сделать вывод, что данная методика пригодна для контроля изменения плотности растворов. Чувствительность данного метода позволяет обнаружить изменения плотности, равные .

Призматическая геометрия образца была выбрана, как наиболее подходящая для данного стенда, так как налетающие частицы входят попадают в образец под прямым углом. В случае, если используется цилиндрическая форма, большой вклад в погрешность вносит рассеивание гамма-квантов от скругленной поверхности образца.

В рамках дальнейшего продолжения разработки измерительного стенда планируется продолжать экспериментировать с растворами разных химических составов и концентраций, уточняя данные о минимальном пределе чувствительности.

Список литературы

1.        Методы и приборы для измерения ядерных и других радиоактивных материалов: учебное пособие / [и др.]; под общ. ред. , – Томск: ТПУ, 2011. – 338 с. (Учебное пособие ТПУ).