СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ТЯЖЕЛЫХ ДЕЛЯЩИХСЯ ЯДЕР Российский патент 1996 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к количественному анализу смеси тяжелых делящихся ядер в различных средах.

Известные радиометрические [1] и радиационно-химические [2] методы определения количества тяжелых делящихся ядер либо недостаточно чувствительны, либо трудоемки, требуют большого количества химических реактивов и анализируемых веществ.

Ближайшим к заявляемому способу является нейтронно-активационный анализ [3]
Недостатком нейтронно-активационного анализа является низкая чувствительность при наличии в пробе других нуклидов, активация которых в нейтронном поле усложняет спектры излучений и идентификацию по ним тех или иных продуктов деления. Кроме того, используемые для этих целей полупроводниковые детекторы имеют низкую ( ≈10^-3 имп./квант) эффективность регистрации гамма-излучения, а сцинтилляционные детекторы недостаточное разрешение.

Технической задачей изобретения является увеличение чувствительности и уменьшение трудоемкости количественного анализа смеси тяжелых делящихся ядер в различных средах.

Поставленная задача достигается тем, что пробу, содержащую смесь тяжелых делящихся ядер, облучают в нейтронном поле (реактора), затем после облучения пробу нагревают до температуры, при которой все образовавшиеся газообразные продукты деления (ГПД) выходят из нее (500-1500^оС) в замкнутую емкость, которую далее продувают газом-носителем, например гелием. Далее газ-носитель вместе с ГПД (радионуклидами ксенона и криптона) поступают на хроматографическую колонку, где смесь ГПД разделяется на составные части. Далее измеряется активность каждого из разделившихся компонентов ГПД.

Количество каждого из находящихся в пробе тяжелых делящихся ядер определяется из системы уравнений
∑ a_ijm_i= b_j (1) где m_i количество i-х тяжелых ядер;
b_j активность j-го компонента ГПД.

Коэффициенты аij либо рассчитываются по формуле
a_ij= Φ σ_fi• y1-ee
(2) где Φ плотность потока нейтронов; σ_fi микроскопическое сечение деления i-го тяжелого ядра; y_ijk выход k-го радионуклида (изотопа) j-го ГПД при делении i-го тяжелого ядра; λ_jk постоянная распада; η_jk- эффективность регистрации jk-го радионуклида; t_p время облучения пробы в нейтронном поле; t_b время охлаждения образца, либо определяются экспериментально. В последнем случае необходимо приготовить пробы с известными количествами всех подлежащих количественному анализу тяжелых делящихся ядер и с ними провести измерения по вышеописанному способу, т.е. решается обратная задача по известным m_i и b_jопределяются а_ij.

Полноту выхода ГПД из пробы при нагреве определяют повторным нагревом пробы и измерением радиоактивности разделившихся на хроматографической колонке компонентов ГПД. Отсутствие активности указывает на полный выход ГПД из пробы. Если при повторном нагреве и измерении фиксируют наличие радиоактивных компонентов в газе, то, используя два вышеупомянутых измерения, полную активность каждого из компонентов ГПД на любой момент времени после окончания облучения можно определить, используя активационную модель газовыделения:
dQ_k/dt -(d_k + λ_k) Q_k; (3)
dP_k/dt d_kQ_k λ_kP_k, где Q_k и P_k количество ядер k-го радионуклида после облучения в пробе и измеренное соответственно; d_k скорость утечки ядер k-го радионуклида из материала пробы.

Решение системы имеет вид
Q_k Q_ok eхр [-( λ_k + α_k) t_b]
P_k α_kQ_k λ-1k

[1 eхр (- λ_kt_b)] (4)
При измерении общей активности радионуклидов ксенона следует иметь в виду, что при t_b<1 ч основным радионуклидом, определяющим активность, будет ксенон-138, при t_b < 1 cут активность определяется радионуклидом ксенон-135, а при t_b > 3 сут ксеноном-133. Первое и второе измерения активности ГПД, вышедших из пробы, позволяют определить величины α_k и Q_k, а посредством их и начальную активность Q_ok.

Активность радионуклидов криптона при t_b > 0,5 ч определяется активностями криптонов 87 и 88. Приняв во внимание соотношение α(Kr) 2α (хе) и вычислив отношение Q_o(⁸⁷Kr)/Q_o(⁸⁸Kr), можно определить абсолютные величины Q_o(⁸⁷Kr) и Q_o(⁸⁸Kr).

Чувствительность предлагаемого способа может быть оценена из следующего уравнения:
I/m= Φ σ_fiy1-ee (5) где A_i и N-атомный вес i-го тяжелого делящегося нуклида и число Авогадро соответственно.

При плотности потока нейтронов Φ=10¹³ н/см² ·с, выходе K-го нуклида при делении Y_ik 5 ·10^-2, эффективности регистрации радиоактивности 1, t_p 300 c, t_b 1800 с чувствительность будет ≈10¹⁰ имп./г.

П р и м е р. В кварцевую ампулу поместили пробу с землей, на которую нанесены по 0,01 см³ водных растворов с концентрацией урана-235 0,963·10^-7 г/см³ и PuO₂(NO₃)₂ c концентрацией плутония-239 1,0034 ·10^-7г/см³. Далее отваккуумированную и запаянную ампулу с пробой облучили на пневмопочте реактора ВВР-Ц. Время облучения t_р 300 с. Для определения флюенса тепловых нейтронов вместе с пробой облучили дозиметр-свидетель. Таким образом, проба содержала m_u 9,63 ·10^-10 г и m_pu 10,034 ·10^-10г.

После облучения ампулу с пробой поместили в устройство для ее (ампулы) раздавливания, подключенное к хроматографу ХТМ-73-ГЛ. После продувки устройства чистым гелием и нагрева до 600^оС через 1800 с от момента начала облучения хроматограф включили в автоматический режим работы и в момент включения режима "накопление" ампулу с пробой раздавили. ГПД, выделившиеся из пробы, выносились газом-носителем (гелием) и накопились в теплодинамическом накопителе хроматографа. Расход газа в режиме накопления составил ≈ 800 см³/мин при объеме устройства раздавливания ≈50 см³. Режим накопления продолжался 90 с. Далее хроматограф перевели в режим "анализ" и концентрированная проба поступила в разделительную колонку хроматографа. Измерение β-активности проб проводили с помощью 4π -газопроточного счетчика типа "Протока" с эффективностью регистрации, равной единице. Пересчетный прибор измерял количество импульсов через каждые 10 с с экспозицией 10 с без паузы. Результат регистрировался на печатающем устройстве. Повторный цикл измерения показал полный выход ГПД из пробы в первом цикле.

Результаты измерений (см. чертеж) обработали с помощью сплайн-функции. Расстояние между максимумами хроматографических пиков криптона и ксенона составило ≈ 80 с. По результатам измерения определили коэффициенты b₁ и b₂ уравнения (1). Коэффициенты a_ijвычислили по формуле (2), где плотность потока тепловых нейтронов Φ (3,5-0,75)· 10¹³ н/см²· с определили экспериментально. Сечения деления плутония-239 и урана-235 в поле нейтронов реактора ВВР-Ц определили при температуре нейтронного газа 340 К и границе сшивания спектров Ферми и Максвелла α_гр 7.

Из системы уравнений
9,39 ·10¹⁰ m_pu + 1,63 ·10¹¹ m_u 207;
1,47· 10₁₁ m_pu + 7,9 ·10¹⁰ m_u 180 определили, что
m_pu (7,9 ±1,9) ·10^-10 г; m_u (8,2 ±2,0)· 10^-10 г.

Основное преимущество данного способа по сравнению с лучшими применяемыми для этих целей способами наглядно проявляется при сравнении их чувствительностей.

Чувствительность нейтронно-активационного анализа определяется формулой
I/m= Φ σ_fy1-ee (6) где λ_к постоянная распада k-го радионуклида; ξ_jk выход регистрируемого гамма-кванта при распаде k-го радионуклида, а радиохимического способа формулой
(I/m)_р.x N/Aλ_i η_α (7) где λ_i постоянная распада i-го тяжелого делящегося нуклида;
η α эффективность регистрации альфа-частиц.

Деление формулы (5), определяющей чувствительность предлагаемого способа, на формулы (6) и (7) дает
(I/m)/(I/m)_н.а= η_β / η_γ •e
для всех трансурановых ядер.

(I/m)/(I/m)_p.x ∈
Таким образом, предлагаемый способ обладает очевидным значительным преимуществом по чувствительности по сравнению с известными способами.

Использование: при количественном анализе смеси тяжелых делящихся ядер в различных средах. Сущность изобретения: пробу, содержащую смесь тяжелых делящихся ядер, облучают в нейтронном поле (реактора). После облучения пробу нагревают до температуры 500 - 1500^oС. Образовавшиеся газообразные продукты деления собирают в замкнутую емкость, продувают газом-носителем, например гелием, направляют смесь на хроматографическую колонку, где смесь разделяется на составные части, и измеряют активность каждого из разделившихся компонентов. Количество каждого из находящихся в пробе тяжелых делящихся ядер рассчитывают исходя из измеренных активностей компонентов. 1 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ ТЯЖЕЛЫХ ДЕЛЯЩИХСЯ ЯДЕР, основанный на нейтронно-активационном анализе, отличающийся тем, что образовавшиеся в процессе деления тяжелых ядер газообразные продукты деления выделяют из пробы, разделяют хроматографически на компоненты и, измерив активность каждого компонента, рассчитывают количество каждого из типов тяжелых ядер в пробе.