способ определения количественного состава двухкомпонентной смеси тяжелых делящихся ядер

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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= _fi y1-ee

(2) где плотность потока нейтронов; _fi микроскопическое сечение деления i-го тяжелого ядра; y_ijk выход k-го радионуклида (изотопа) j-го ГПД при делении i-го тяжелого ядра; _jk постоянная распада; _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 + _k) Q_k; (3)

dP_k/dt d_kQ_{k k}P_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 [-( _k + _k) t_b]

P_{k k}Q_k ^-1_k [1 eхр (- _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 _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 (Kr) 2 (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= _fiy1-ee (5) где A_i и N-атомный вес i-го тяжелого делящегося нуклида и число Авогадро соответственно.

При плотности потока нейтронов =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 0,96310^-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 -активности проб проводили с помощью 4 -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 (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 _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= _fy1-ee (6) где _к постоянная распада k-го радионуклида; _jk выход регистрируемого гамма-кванта при распаде k-го радионуклида, а радиохимического способа формулой

(I/m)_р.x N/A_i (7) где _i постоянная распада i-го тяжелого делящегося нуклида;

эффективность регистрации альфа-частиц.

Деление формулы (5), определяющей чувствительность предлагаемого способа, на формулы (6) и (7) дает

(I/m)/(I/m)_н.а= / 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.