Файл: Мусакин, А. П. Методы контроля радиохимических производств.pdf

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Р С Ф С Р

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ!! ИНСТИТУТ имени ЛЕНСОВЕТА

Кафедра радиохимических процессов ядерной энергетики

А.П.МУСАКИН

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ РАДИОХИГЛИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ

Конспект лекций

Ленинград I 9 7 3 год

При изучении данного курса следует учитывать, что материал

конспекта лекций составлен кратко (конспективно) и неполно. Следует расширять и углублять изучение материала на основании

знаний, полученных из предшествующих курсов, на лекциях к

данному курсу, по специальной литературе, а также при выпол­

нении экспериментальных учебных и исследовательских работ.

Основною целью изучение курса является знание основных принципов выбора и условий применения разнообразных методов

контроля радиохимических производств. Необходимо учитывать,

что как сами радиохимические производства, так и методы их контроля постоянно совершенствуются.

В В Е Д Е Н И Е

Радиохимические производства (заводы по получению ядерно­ го горючего, атомные электростанции, ззводы но регенерации . ядерного горючего, предприятия, изготавливающие радиоактивные изотопы и меченые соединения) имеют дело с разнообразными веществами. -Как и на других химических предприятиях, на ра­ диохимических производствах контролируют сырье, полупродук­ ты, готовую продукцию, вспомогательные материалы, а также различные отходы (твердые, шдкие и газообразные).

Контроль радиохимичеоких производств имеет большое значе­ ние для выяснения поведения разнообразных получаемых и по­ бочных веществ. На основании результатов контроля режим производства изменяют таким образом, чтобы уменьшить потери веществ (особенно радиоактивных) и получить более чистый продукт.

По результатам контроля составляют баланс количеств и ак­ тивностей веществ, т.е.определяют количества и активности всех веществ в процентах от количества и активности веществ,

введенных в производство.

Особенности контроля при этом следующие:

а) большое разнообразие контролируемых веществ; б) большое количество различных элементов в веществах; в) широкий диапазон концентраций;

г) радиоактивность веществ.

П р и м е р ы [ I ] Х / /

I . При производстве урана вещества содержат, кроме обычных элементов ( S i , 0, Fe, AI, Са, Мд, К, Na) многие редкие эле­ менты (уран, ванадий,молибден и др.). Содержание, урана в бед­ ных перерабатываемых рудах составляет сотые доли процента.. Естественный уран содержит продукты распада элементов от ура­

на до свинца. Выделенный уран содержит примесь тория .(UXj) и

х/ Здесь и дальше цифры в квадратных скобках обозначают

номер списка литературы, приведенного на стр.137.

протактиния (U-Xg и UZ), а также небольшие количества других

элементов, неполностью отделенных от урана.

2. Материалом тепловыделяющих элементов (ТВЭ-лов) является

уран (металлический или двуокись урана'и т.п.) высокой степе­ ни химической чистоты. Необходимо знать в нем содержание изо­

топов урана-235 и урана-238, а также примесей, содержание ко­

торых составляет сотые доли процента и ниже.

При производстве плутония контролируется его изотопный

состав и отсутствие примесей.

3. При регенерации ядерного горючего контролируют процессы

удаления продуктов деления урана, и чистоту выделяемых урана и плутония. В состав продуктов деления входят различные радио­

активные изотопы 30 элементов (рис.1).

Рис.1. Состав продуктов деления урана-235.

Состав продуктов деления зависит от времени нахождения ядерного горючего в реакторе и от времени последующего осты­ вания его (стр. 67 ) .

Аналогична кривая и для радиоактивного состава (в процен­

тах общей активности). Удельная активность ядерного горючего

приблизительно около I кюри на I г урана; при этом веоовое содержание продуктов деления составляет всего лишь около 1%

(по весу ядерного горючего), но при малом весовом содержании

— 3 —

продуктов деления активность их очень высока ( I кюри строн-

ция-30 соответствует 0,007 г его, а цеэия-137 —0,010 г). Кро­ ме того, в отработанном ядерном горючем содержится плутоний

идругие трансурановые элементы.

4.В изотопную продукцию входят вещеотва разнообразного состава (неорганические и органические) и широкого диапазона

активностей и концентраций. Например, растворы короткоживу-

щих радиоактивных изотопов "без носителя" имеют концентрации 10~* % и т.п. Определяется химическая и радиохимическая чис­

тота веществ и их удельная активность.

5.Отходы радиохимических производств весьма разнообразны

ипо составу и ко активности. Очищенная вода или воздух долж­

ны иметь предельно низкую активность (например,*10"^ кюри/л

воды).

Процессы дезактивации поверхностей связаны с контролем

состава загрязняющих поверхность радиоактивных изотопов и с

контролем состояния поверхности.

6.На атомных электростанциях проводится контроль процесса

водс-подготовки питающей воды и контроль контурных вод. При

этом необходимо определять весьма малке концентрации элемен­ тов в воде. В контурных водах определяют разнообразные радио­ активные изотопы.

7.Конструкционные материалы должны быть особой чистоты,

поэтому контролируется содержание примесей 0,015? - 0,00001$

(и даж,э Ю ~ 6 - Ю~10%).

Методы контроля радиохимических производств весьма разно­

образны; применяются различные химические, радиохимические,

физико-химические, а также физические методы. Особое значение имеют методы измерения радиоактивности вещестЕ. Широко ис­ пользуются (и должны использоваться еще шире) 'автоматические

методы контроля.

Целью курса "Методы контроля радиохимических производств"

является освоение ССПОРНКХ принципов этих методов. Объекты

контроля могут изменяться, изменяются и методы контроля. Изу­ чающий данный курс должен, овладев обютк пршадшами контроля радиохимическое производств, уметь ориентироваться а выборе

- 4 -

методов и условий их применения для разных случаев контроля. Курс рассчитан на 18 часов лекций и 72 часа лабораторных

работ.

Специальной литературы по вопросам курса нет. Отдельные

вопросы курса могут быть найдены в литературе, список которой приведен в конце данного конспекта лекций (стрЛ37).

Перед изучением данного курса необходимо знать основы сле­ дующих курсов: а) радиохимия, б) технология получения и пере­

работки радиоактивных веществ, в) переработка, радиоактивных

отходов и дезактивация, г) материалы атомных энергетических

установок, д) химические и физико-химические методы анализа,

е) контрольно-измерительные приборы и автоматика [ I - 4 ] .

После изучения курса у студента должен быть рабочий днев­

ник проделанных лабораторных работ. На основании лекционного материала и лабораторного практикума студент сдает дифферен­

цированный зачет.

I . СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ КОНТРОЛЕ

РЩОЖШЧВСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

I . ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА [ 4 ] .

Общая характеристика.

Большое разнообразие элементов и их ионов в продуктах ра­

диохимических производств затрудняет выбор методов определе­ ния состава таких продуктов. Сзойства элементов, входящих в

них, весьма разнообразны: например, значительное различие

наблюдается Б свойствах следующих соседних элементов, являю­ щихся продуктами деления урана: криптон, рубидий, стронций,

иттрий, цирконий, ниобий, молибден, технеций, рутений к т.д.

(рис.1 и 2) .

Изучение аналитических свойств различных элементов, встре­ чающихся в радиохимических производствах, изолированно не

целесообразно. Необходимо изучить общие закономерности з ана­ литическом поведении элементов, которые помогут ориентиро­ ваться в частных случаях анализа. В этом отношении наибольшее значение имеет рассмотрение аналитически^ свойств в связи с

периодическим законом Менделеева. Этот закон позволяет систе­

матизировать элементы, а следовательно и их ионы, и рассмат­ ривать их диалектическим методом не как случайное скопление

разнообразных свойств разных элементов, а как закономерную

зависимость свойств элементов от их порядковых номеров.

Наиболее важное различие химических свойств элементов

связано с различием зарядов их ионов (с валентностью и окис­ лительным числом элемента), например (см.рис.2): криптон - О,

рубидий т-1, стронций +2, иттрий +3, цирконий +4; затем

идут элементы с высоким окислительным числом, находящиеся в виде анионов: ниобий +5, молибден +6 и технеций +7; заряды анионов зависят от количества атомов (ионов) кислорода, при­

соединенных к данному элементу (например, молибден находится в виде анионов ?vloO^~).

- 6 -

Рио.2. Изменение заряда иона (окислительного числа)

с изменением порядкового номера

Аналогичные зависимости наблюдаются и в других рядах периоди­ ческой системы.

Сила и энергия присоединения к данному иону других ионов

может быть шранена следующими формулами:

электрическая проницаемость ореды.

Чем больше ионный потенциал z . Ъ , тем больше энергия при­ соединения к данному иону других ионов. Поэтому приближенная

системе элементов

_ 7 _

В направлении стрелок Z+/Z увеличивается прочность со­

единений ионов с другими ионами. В рассматриваемом примере

прочность соединений увеличивается от рубидия к стронцию, затем к иттрию, цирконию и т.д.

Свозрастанием значения Z^/i возрастает устойчивость

связи элемента с кислородом. Поэтому, соответственно, умень­ шается растворимость гидроокисей: например, ЕЬОН хорошо

растворимая гидроокиоь, Sr(0H)2 менее растворима, гидро­

окись иттрия и, особенно, циркония мало растворимы в воде.

При значительном возрастании окислительного числа иона ( - О связь элемента о кислородом возраотает настолько, что вместо

оонования получаются кислоты, например, ниобий, молибден и

технеций с окислительными числами, соответственно, 5, 6 » 7

образуют различные кислоты.

Свозрастанием Z//Z возрастает устойчивость связи эле­

ментов о анионами: SrFg - малораотворимый осадок, TFg -

еще менее раотворим, а цирконий образует в растворе комплек­

сные анионы:

S r F 2 | УГ3 | l ? r P 6 | 2 - .

рутений образует устойчивые комплексные анионы даже с хлор-ионами.

Такое же изменение свойотв наблюдается и в вертикальном направлении периодической системы: прочность фторидов возрас­ тает от La к So и У (фториды La, Се и других РЗ нераство­

римы в НГ, иттрий образует с F-ионами комплексные анионы). С увеличением Л*/ъ (в направлении стрелки на рис.3)

возрастает окислительная способность соответствующих соедине­

ний элементов. Например, в 71 ряду периодической системы (рис.2) Rfci1", S r 2 + , У3 ^ и 2 г 4 + не являются окислителями, а

далее появляется и усиливается окислительная способность сле­ дующих в ряду элементов в их соответствующгх соединениях:

Н Ь У , М о П , Тс^11 и R t f 1 ( F H 3 ^ и R / 1 1 очень сильные окислители

и, соответственно, элементарный рутений - RjP может окислять­ ся лишь с большим трудом).