Способ гамма-спектроскопического определения содержания радионуклидов коррозионного происхождения

 

Использование: контроль содержания радионуклидов в водном теплоносителе АЭС. Сущность изобретения: анализируемую пробу фильтруют через блочные фильтрующие элементы последовательно. В качестве первого фильтрующего элемента используют пористую мембрану с намытым слоем гематита, а второго - анионообменное волокно, предварительно обработанное 3%-ным раствором трилона-Б. После фильтрации производят раздельный гамма-спектрометрический анализ верхнего и нижнего блоков фильтра. Содержание нуклидов коррозионного происхождения определяют по сумме результатов измерений. 1 табл.

Изобретение относится к области радиометрического контроля водного теплоносителя и технологических вод атомных электрических станций.

В настоящее время для контроля содержания радионуклидов в практике АЭС используют гамма-спектроскопические методы. Радиоактивный распад каждого элемента характеризуется специфическим спектром излучения. По характеру гамма-спектра можно определить природу элемента, а по интенсивности излучения его содержание в исследуемой пробе. Однако, в ряде случаев параметры излучения различных элементов совпадают или близки. Например, определению Co⁶⁰ по линии E_γ 1,332 МэВ мешает изотоп Na²⁴ с E_γ 1,369 М.В, определению Fe⁵⁹ с E_γ 1,292 изотоп I¹³⁵ с E_γ 1,28 и т.д. [1] Это приводит к необходимости предварительного разделения мешающих элементов. Для этой цели при определении радионуклидов коррозионного происхождения (Cr^51,, Mn⁵⁴, Mn⁵⁶, Fe⁵⁹, Co⁶⁰, Zr⁹⁵, Nb⁹⁵, Mo⁹⁹) в практике АЭС применяют выдержку исследуемой пробы в течение, примерно, трех суток. При этом короткоживущие изотопы Na²⁴ (T_1/2 15 ч), I¹³⁵ (T_1/2 6,67 ч), мешающие определению Fe⁵⁹ и Co⁶⁰, в достаточной степени распадаются и уменьшаются интенсивность их линий гамма-излучения, что позволяет определить содержание этих радионуклидов в выдержанной пробе прямым обмером.

Основным недостатком такого способа является его недостаточная оперативность, так как информацию о содержании радионуклидов коррозионного происхождения можно получить только после трех суток выдержки пробы. Кроме того, обмер пробы по тому способу проводится дважды: до выдержки пробы и после нее, так как за время выдержки изотоп Mn⁵⁶ с T_1/2 2,58 ч полностью распадается. К другим недостаткам данного способа следует отнести невозможность определения радионуклидов коррозионного происхождения в пробе с малой удельной активностью.

Существует другой способ отбора пробы накопительный отбор, при котором анализируемую пробу пропускают через фильтр и концентрацию радионуклидов в водном теплоносителе определяют по их содержанию на фильтре. При использовании накопительного отбора становится возможным определение содержания радионуклидов в водном теплоносителе с малой удельной активностью. Однако, если на фильтре не происходит разделения мешающих изотопов, то для определения содержания радионуклидов коррозионного происхождения также требуется выдержка анализируемого фильтра.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа определения радионуклидов коррозионного происхождения является способ, описанный в журнале [2] Предлагаемый метод радиохимического анализа универсален и может применяться для определения любых радионуклидов с гамма-излучением, в том числе и радионуклидов коррозионного происхождения. Указанный способ заключается в совмещении стадий выделения и приготовления источников для измерения гамма-излучения, что достигается за счет использования блочных сорбентов, имеющих строго фиксированную геометрическую форму и размеры. Анализируемая проба последовательно фильтруется через сорбенты, изготовленные на основе политетрафторэтилена. По количеству радионуклидов, задержанных на фильтре, определяется их концентрация в пробе. В качестве селективных хроматографических сорбентов используются следующие материалы: микропористая таблетка-фильтр для определения взвешенных коллоидных частиц (продукты коррозии, цирконий, ниобий, теллур); н-триоктиламин для выделения иода; ди-2-этилгексилортофосфорная кислота для выделения стронция и бария; фосформолибдат аммония для выделения цезия.

Выбор сорбентов и порядок их расположения основываются на легкодоступных данных по экстракции и сорбции анализируемых элементов. Рабочая скорость фильтрации обусловлена динамикой сорбции изотопов и составляет 1,2-1,5 л/ч·см². Площадь используемых таблеток-фильтров 4,5 см² (общий расход 6,75 л/ч).

Основными недостатками данного способа являются следующие: 1. Недостаточно высокая скорость фильтрации, что приводит к большим затратам времени при анализе вод с малой удельной активностью (так, для фильтрации 100 л пробы по предлагаемому способу требуется, примерно, 15 ч).

2. Недостаточная эффективность задержания взвешенных и коллоидных частиц политетрафторэтиленовым микропористым фильтром, что приводит к систематической ошибке при определении содержания радионуклидов коррозионного происхождения. Проведенные эксперименты показали, что степень очистки этих фильтров по ПК железа не превышает 70-80% и достаточно сильно зависит от фракционного состава дисперсной фазы, pH дисперсной среды, объема пропущенной пробы и т. д. Поэтому оценить систематическую ошибку при определении содержания радионуклидов коррозионного происхождения не представляется возможным.

3. Из описания не ясно, на каком фильтре будут задерживаться изотопы Мn и Cr, находящиеся в пробе преимущественно в виде анионов.

Задача изобретения заключается в повышении экспрессности и представительности контроля за содержанием радионуклидов коррозионного происхождения в потоках водного теплоносителя АЭС.

Решение данной задачи позволяет оперативно контролировать содержание радионуклидов коррозионного происхождения и оперативно влиять на процессы массопереноса этих радионуклидов в контурах АЭС, например, при их дезактивации.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что анализируемая проба последовательно фильтруется через блочный фильтр с последующим раздельным гамма-спектрометрическим анализом блочного фильтра.

Блочный фильтр состоит из двух блоков. Нижний блок представляет собой анионообменное волокно, предварительно обработанное в течение 10 мин трехпроцентным раствором трилона-Б. Верхний блок выполнен из пористой лавсановой мембраны с размером пор 1,1-2,0 мкм с намытым на нее слоем гематита 40-60 мкг/см² (по железу). Гематит перед намывом на мембрану деспергируют в обессоленной воде, воздействуя на него ультразвуком частотой 22 КГц не менее 10 мин. При фильтрации пробы через блочный фильтр взвешенные коллоидные частицы продуктов коррозии задерживаются на верхней мембране с намытым слоем гематита (Fe⁵⁹, Co⁶⁰, Zr⁹⁵ полностью; Cr⁵¹, Mn^54,56, Mo⁹⁹ частично), продукты коррозии, существующие в растворе преимущественно в анионной форме и изотопы иода задерживаются анионообменным волокном, а остальные изотопы проходят в фильтрат. После фильтрации производят раздельный гамма-спектрометрический анализ верхнего и нижнего блока фильтра. Определение содержания радионуклидов коррозионного происхождения производится по сумме измерений. Эффективность улавливания дисперсных частиц по предлагаемому способу практически 100% продуктов коррозии, существующих в растворе преимущественно в анионной форме, более 95% Размер пор мембраны обусловлен, с одной стороны, значительным увеличением гидравлического сопротивления блочного фильтра при использовании мембран с размером пор менее 1,1 мкм, а другой стороны качеством намытого слоя гематита. Так, при использовании мембраны с размером пор 0,57 мкм, расход воды через блочный фильтр с площадью 4,5 см² ( DP 0,2 кг/см²) меньше, чем по способу ближайшему аналогу. При использовании мембран с размером пор больше 2,0 мкм эффективность очистки по дисперсным частицам не достигает 100% так как не удается получить достаточно качественный намывной слой гематита (для мембраны с размером пор 2,5 мкм эффективность очистки, примерно, 75%). Плотность намывного слоя также определяется гидравлическим сопротивлением фильтра и эффективностью его очистки. При величине намыва менее 40 мкг Fe/см² эффективность очистки не превышает 90% а для мембран с удельной плотностью намыва больше 80 мкг/см² резко возрастает гидравлическое сопротивление этого слоя. Скорость фильтрации воды через блочный фильтр с размером пор мембраны 1,1-2,0 мкм и намытым слоем гематита 40-60 мгк Fe/см² составляет 5-15 л/ч. через 1 см² мембраны (ΔP 0,2 кг/см²), что почти на порядок выше, чем по способу ближайшему аналогу. Такая скорость фильтрации обеспечивает достаточно высокую эффективность сорбции изотопов на анионном волокне (степень очистки хроматов более 95%). Обработка анионитового волокна раствором трилона-Б производится для увеличения коэффициента селективности анионита по анионам CrO²₄^- и MoO²₄^- и уменьшения селективности по иону I^-.

Основой изобретения послужило экспериментально обнаруженное нами явление практически полного задержания коллоидных и взвешенных частиц различной природы ядерными лавсановыми мембранами с намытым на них слоем коллоидных частиц гематита.

Пример. Определение содержания радионуклидов коррозионного происхождения предлагаемым способом проводилось на реальном теплоносителе контура многократной принудительной циркуляции реактора РБМК. В таблице представлены данные измерения содержания различных радионуклидов гамма-спектрометрическим способом в исходном теплоносителе и фильтрате блочного фильтра после 3-х суточной выдержки, а также на первом и втором блоке фильтра сразу после фильтрации пробы. Суммарный объем отобранной пробы 100 л, объем пробы, пропущенной через блочный фильтр 10 л. Перепад давления 0,2 кг/см². В последней графе таблицы представлены расчетные данные по содержанию радионуклидов в теплоносителе.

Как видно из представленной таблицы, прямое определение содержания радионуклидов коррозионного происхождения (выделены жирной чертой) по принятой в настоящее время методике, (после трехдневной выдержки пробы) не дает достоверных результатов.

По предлагаемому нами способу невозможно определить содержание только тех радионуклидов, которые находятся в водном теплоносителе в катионной форме (Na²⁴, Sr^91,92) и инертных газов. Но данные изотопы легко определяются прямым обмером пробы исходной воды или фильтрата. Кроме радионуклидов коррозионного происхождения предлагаемый способ позволяет определить содержание в теплоносителе таких изотопов как As⁷⁶, Ru¹⁰⁵ и изотопов иода.

Преимущества данного способа по сравнению с ближайшим аналогом: 1. Простое аппаратурное оформление.

2. Высокая степень достоверности и экспрессности.

3. Значительно меньший рабочий перепад давления, что позволяет подключить блочный фильтр непосредственно к пробоотборной линии, при этом часть отбираемой пробы (порядка 10% ) направляется на фильтр, а остальная часть через дроссель на сброс.

4. Высокая скорость фильтрации.

5. Возможность определения всего спектра радионуклидов за три обмера - мембраны, анионитового волокна и пробы фильтрата.

Список используемой литературы.

1. Ляликов Ю. С. Физико-химические методы анализа. М. Химия, 1974, с. 470; Таблицы физических величин /Под ред. И.К. Кикоина, М. Атомиздат, 1976.

2. Москвин Л.Н. Мирошников В.С. Мельников В.А. Экспрессный хроматографический радиохимический анализ. Радиохимия N 2, 1979, с. 11.

Формула изобретения

Способ гамма-спектроскопического определения содержания радионуклидов коррозионного происхождения путем раздельного спектроскопического обмера блочных фильтрующих элементов, через которые предварительно фильтруют анализируемую пробу, отличающийся тем, что фильтрацию анализируемой пробы через блочные фильтрующие элементы производят последовательно, а в качестве блочных фильтрующих элементов используют пористую мембрану с размером пор 1,1 2,0 мкм с намытым на нее слоем диспергированного гематита 40 60 мгк/см² (по железу) в качестве первого элемента и анионообменное волокно, предварительно обработанное 3% -ным раствором трилона-Б, в качестве второго элемента, при этом содержание радионуклидов коррозионного происхождения в анализируемой пробе определяют суммой их содержания на блочных фильтрующих элементах.

РИСУНКИ

Рисунок 1