Определение 238 U, 232 Th, и других элементов в фосфогипсовом образце нейтронно-активационным методом

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе рассматривается определение радиационной загрязненности фосфогипсовой пробы по удельной активности естественных радионуклидов. На основе много-тоннажного отхода производства фосфогипса ставится более конкретная задача, а именно, использовать его в качестве композитционного материала для изготовления изделий применяемых в орошении  сельском хозяйстве.

ABSTRACT

In this paper, we consider the determination of the radiation contamination of a phosphogypsum sample by the specific activity of natural radionuclides. On the basis of the multi-tonnage waste of phosphogypsum production, a more specific task is posed, namely, to use it as a composite material for the manufacture of products used in irrigation agriculture.

Ключевые слова: нейтрон, ядерный реактор, нейтронно- активационный анализ, удельная эффективная активность фосфогипса, редкоземельные элементы, уран, торий, фосфогипс.

Keywords:neutron, nuclear reactor, neutron activation analysis, specific effective activity of phosphogypsum, rare earth elements, uranium, thorium, phosphogypsum.

Класс промышленных отходов весьма велик и разнообразен. Утилизация их приведёт к получению широкого ассортимента целевых продуктов.

Мировая практика производства фосфорных удобрений показывает, что во всех странах мира, где осуществляется переработка природных фосфоритов и апатитов в качестве многотоннажного отхода образуется фосфогипс [1,2.]. Во многих Европейских странах, США и Японии ведутся научные изыскания и поиски практического решения утилизации техногенных отходов, в том числе фосфогипса. Несмотря на многочисленные исследования и разработки по утилизации фосфогипса, широкомасштабного использования в народном хозяйстве он ещё не получил. Присутствие примесей затрудняет использование фосфогипса, а в некоторых случаях, например, при высокой радиоактивности оно становится невозможным[3,4,5]. По данным СМИ [6], в настоящее время на производственном полигоне накопилось более 64 млн. тонн фосфогипса. На сегодняшний день не существует технологий, которые обеспечивали бы экономическую эффективность использования отвального фосфогипса в больших объемах, поэтому практически весь объем образовавшегося фосфогипса направляется на длительное хранение в открытый отвал. Расширение отвала фосфогипса не является решением проблемы уменьшения, накопления и длительного хранения фосфогипса. Это загрязнение IV класса опасности. Известно, что сам фосфогипс инертен и никакой угрозы не представляет. Но  в нем присутствуют хлориды, сульфаты аммония и прочие вещества, которые загрязняют воды. Для решения этой задачи временная аналитическая химия, которую по праву можно назвать “химией следов”, привлекает весь арсенал своих методов. Однако следует подчеркнуть, что чувствительность наиболее широко применяемых методов, основанных на предварительном концентрировании, таких как химико-спектральный, полярографический, люминесцентный, спектрофотометрический и др., не превышает 10^-6, 10^-7%. Чувствительность наиболее универсального метода, позволяющего проводить непосредственное определение масс-спектрального анализа, также не превышает 10^-7.

Более высокой чувствительностью обладает радиоактивационный анализ, основанный на ядерных реакциях элементарных частиц с элементами, входящими в состав анализируемого вещества. В качестве бомбардирующих частиц чаще всего используются нейтроны. Метод позволяет количественно определять содержание искомого элемента в образце благодаря тому, что активность (А_t), а следовательно, и количество полученного в результате ядерной реакции радиоактивного изотопа, прямо пропорциональны массе (m) определяемого элемента[7]:

где At-число распадов в секунду на момент окончания облучения M-атомный вес определяемого элемента; f- интенсивность потока бомбардирующих частиц (число частиц на 1 см²/сек); ό_ак- атомное сечение активации для данной реакции; t- время облучения; Т-период полураспада образующегося радиоизотопа.

Следовательно, чувствительность метода зависит в первую очередь от интенсивности потока бомбардирующих частиц и сечения активации определяемого элемента и в меньшей степени от времени облучения и периода полураспада радиоактивного изотопа, по которому проводится определение.

Подставив соответствующие числовые значения в эту формулу, можно показать, что при облучении образца весом 1г, достаточно интенсивным потоком медленных нейтронов в ядерном реакторе (~10¹³ нейтронсм²/сек), чувствительность радиоактивационного определения различных элементов, образующих радиоизотопы с удобным для работ периодом полураспада (не менее 30 мин), колеблется от 10^-5 до 10^-10 % (табл. 1), причем 57 элементов периодической системы можно определить при содержаниях менее 10^-7%[8,9].

Таблица 1.

Чувствительность нейтронного активационного анализа

Большой объем проведенных работ по определению содержания фосфогипса для получения точных данных, вызывает необходимость разработки высокоточного и экспрессного метода анализа.

В данной работе сделано определение радиационной загрязненности фосфогипсовой пробы радиоактивными веществами.

Элементный анализ фосфогипса определялся нейтронно –активационным анализом (НАА), который способен обеспечить очень низкие пределы определения многих элементов. C использованием нейтронов различного энергетического состава ядерного реактора ВВР-СМ института ядерной физики АН РУз. Инструментальный нейтронно-активационный анализ, можно определить 20-25 примесей в различных материалах с пределами определения 0.0001-1.0 мг/кг и ошибкой не более 7-10%. Такой низкий определяемый предел (таблица№1) обеспечивался высоким флюенсом нейтронов (5*10¹⁷ нейтрон см²/сек.). Для определения удельной активности²³⁸U, ²³²Th и остальных представителей уранового и ториевого рядов в качестве образца сравнения использовали сертифицированные стандартные образцы (The Czech National Standard of Activity of Radionuclides ECM 440-1 / 97-002, МАГАТЭ (IAEA) SL-1).

Фосфогипсовый образец массой 100мг был запакован в полиэтилен и алюминиевую фольгу, и помещен в алюминиевый контейнердля облучения в вертикальном канале исследовательского реактора потоком нейтронов 7 *10 ¹³ нейтрон см²/сек.

Регистрация гамма-излучения проводилась на гамма-спектрометре, детектором из сверхчистого германия (р-типный HPGe детектор, GCD-48200X), рабочий диаметр 100мм, высота 5 мм .

Для измерения и обработки спектров использовался комплекс аппаратуры фирмы “Канберра” –HP Ge с коаксиальным детектором (разрешение 1.8 кэВ на линии 1332.5 кэВ ⁶⁰ Со), зарядно-чувствительным предусилителем и многоканальным анализатором DSA-1000 с программным обеспечением Genie 2000. Полученные результаты НАА приведены в таблицах № 2 и № 3.

Определение ²³⁸U в фосфогипсе проводилось по линии ²³⁹Np-228.2 кэВ. Предел определения 0.01-0.02 г/т. Определение по ²³²Th проводилось по линии 311.8 кэВ от продукта активации тория ²³³Pa. Помехи от мешающих радиоизотопов несущественны. Предел определения 0.09-0.10 г/т и 0.01 г/т для редкоземельных элементов (РЗЭ). На рисунках №1 и №2 приведены спектры по энергетическим линиям (кэВ) элементов, содержащихся в фосфогипе.

Рисунок 1. Спектр элементов по энергетическим линиям (кэВ) от 1 до300 кэВ

Рисунок 2. Спектр элементов по энергетическим линиям (кэВ) выше 300 кэВ

Таблица 2.

Содержание элементов в фосфогипсовом образце, г/т

Таблица 3.

Предельно-допустимые концентрации (ПДК) по нормативному документу СанПин № 0134-03 07.02.2003 [10]: (Санитарные Правила и нормы) на удобрениях и мелиорантах и результаты измерений фосфогипса

Выводы;

- Для образцов лежалого фосфогипса определена удельная эффективная активность естественных радионуклидов, на основании чего дано заключение, что удельная активность образца фосфогипса не превышает нормативных значений (СанПин №0134-03. «Санитарные правила и нормы») и может без ограничений использоваться в хозяйственной деятельности.

- Техногенные отходы фосфогипса благодаря большим залежам (несколько млн. тонн), доступности, легкой вскрываемости и наличия необходимой инфраструктуры на действующих заводах являются перспективным сырьевым источником кальция, фосфора и др. элементов.

- из переработанного фосфогипса можно получить лотки , которые можно будет использовать в сельском хозяйстве – на полях Узбекистана, в засоленных местах, площадью орошения несколько тысяч гектаров.

- Количественные результаты по исследованию фосфогипса на содержание актиноидов отсутствуют.

- Много-тоннажные отходы производства фосфогипса использовать в качестве сырья в сельском хозяйстве.

Список литературы:

1. Фосфогипс [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://domchtonado.ru/fosfogips.html
2. Мирсаев Р.Н., Юнусова С.С., Бабков В.В. и др. //       «Фосфогипсовые отходы химической промышленности в производстве стеновых  изделий.» М.”Химия” 2004г.
3. Эльдидамони Х.1, Али М.М.2,Аввад Н.С.3,4,Атталла М.Ф.4,Фавзи М.М. //Радиологические характеристики и переработка радиоактивно-загрязненных отходов Фосфогипса..2 https://elibrary.ru/item.asp?id=19414957
4. Алена Курдюкова. //Исследование разработки ядерно-физических методов анализа для определения урана в образцах фосфорита и угля. https://elibrary.ru/item.asp?id=19414957
5. Трофимов Т.И., Куляко Ю.М., Мясоедов Б.Ф Сверхкритическая флюидная экстракция,РЗЭ,тория и урана из монацитового концентрата и фосфогипса с использованием ТБФ и Д2ЭГФК..1 http://www.scf-tp.ru
6. В настоящее время в Ташкентской области накопилось свыше 75 млн. тонн различных отходов. Подробно.uz агентство новостей от  3 Июня 2010, [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://podrobno.uz/cat/economic/waste/)
7. Маслов И.А, Лукницкий В.А.// Справочник по нейтронному активационному анализу, Издательство “Наука” 1971г.
8. Гопыч П.М., Залюбовский И.И.//Ядерная спектроскопия, “Вища школа” Издательство Харков 1980г.
9. . Горбачев В.М, Замятин Ю.С., Лбов А.А. //Взаимодействие излучений с ядрами тяжелых элементов и деление ядер, Справочник, Москва Атомиздат 1976
10. Перечень утвержденных санитарных норм -NRM/uz. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nrm.uz/contentf