Нейтронно-активационный метод обогащения

 

Этот метод основан на облучении руды потоком тепловых ней­тронов с последующим разделением кусков по интенсивности гам­ма-излучения.

Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от свойств ядер вещества и энергии нейтронов:

- химические элементы с атомным весом менее 25 составляют группу легких;

- элементы с атомным весом более 25, но менее 80 - средние эле­менты;

- тяжелые элементы имеют атомный вес более 80.

Взаимодействие нейтронов с ядрами определяется их волновыми свойствами, играющими главную роль при малых энергиях. В облас­ти этих значений энергий нейтронов длина его волны λ _nнм, выража­ется формулой

При столкновении нейтрона с ядром происходит либо его захват, либо отклонение от первоначального направления движения, т.е. рассеяние. При захвате нейтрона образуется составное ядро, которое за счет выделяющейся при захвате энергии связи нейтрона оказыва­ется в возбужденном состоянии. Переход ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние может происходить путем распада с испусканием каких-либо частиц или гамма-квантов, либо тех и других. Наибольшее распространение при захвате нейтрона имеет ядерная реакция с испусканием гамма-излучения, т.е. реакция, называемая радиационным захватом. Радиационный захват нейтрона протекает при любой энергии и на любом ядре. Из ста­бильных ядер, неспособных к захвату нейтрона, известно только яд­ро гелия (α -частица). Для нейтронов с энергией от 0, 1 до 10 эВ сече­ние радиационного захвата является наибольшим (т.е. для медлен­ных и особенно для тепловых нейтронов). Наблюдается также увели­чение сечения реакции при переходе от легких к тяжелым эле­ментам. Уравнение реакции при радиационном захвате имеет вид:

 

 

где Z и А - соответственно атомный номер и массовое число элементов.

Время жизни ядра, возникшего при радиационном захвате, со­ставляет около 10^-14 с. Это время соответствует испусканию гамма-кванта, после чего ядро возвращается в основное состояние.

Интенсивность и энергия гамма-излучения реакции являют­ся специфическими свойствами для каждого элемента, что может быть использовано для радиометрического обогащения.

У большинства ядер радиационный захват приводит к образо­ванию нестабильных (радиоактивных) изотопов. Это явление по­лучило название искусственной радиоактивности, а способ ее обра­зования - активацией. Образующиеся при этом радиоактивные изо­топы отличаются по виду и энергии излучения, периоду полураспада и другим свойствам. Обычно эти изотопы излучают гамма - кванты, электроны или позитроны. Количество образовавшихся в веществе ядер радиоактивного изотопа N при облучении потоком нейтронов плотностью Ф₀ можно определить по выражению

 

 

 

 

где σ - сечение активация элемента;

γ _и - доля изотопа в естественной смеси изотопов;

m - масса химического элемента в облучаемом объеме вещества;

λ - постоянная радиоактивного распада образующегося изотопа;

t - время с момента начала облучения;

А - атомная масса вещества.

Наведенная радиоактивность J_t, (число распадов в секунду) при этом равна

 

 

 

 

Где σ _γ N_Aγ _иm - активационная способность элемента, называемая мак­роскопическим сечением активации.

Таким образом, в выбранных условиях облучения и регистрации, интенсивность наведенной радиоактивности зависит от сечения ак­тивации и содержания интересующего химического элемента в облу­чаемой массе полезного ископаемого.

Метод радиометрического обогащения, основанный на использо­вании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых в интенсивности наведенного излучения, называется нейтронно-активационным.

Нейтронно-активационный метод целесообразно применять в том случае, когда сечение взаимодействия не ниже 1...3 барна, что необ­ходимо для надежной регистрации вторичных излучений, являю­щихся разделительным признаком. Этому условию удовлетворяют руды, содержащие хром, марганец, железо, никель, медь, серебро, золото, редкоземельные элементы и др.

При облучении минерального сырья при определенных условиях в ядрах элементов образуются радиоактивные изотопы, которые из­лучают гамма-кванты, бета-частицы, запаздывающие нейтроны и т.п.

После прекращения облучения наведенная радиоактивность умень­шается по закону радиоактивного распада. По интенсивности наве­денной активности можно не только выявить присутствие в куске ру­ды того или иного химического элемента, но и оценить его содержа­ние. Благоприятными факторами для концентрации минералов нейтронно-активационным методом являются большие эффективные се­чения ядерных реакций для химических элементов, входящих в состав минерала, малый период полураспада образующихся изотопов и воз­никновение в результате ядерной реакции проникающего излучения.

В качестве источников первичного нейтронного излучения могут быть использованы ампульные источники нейтронов, генераторы нейтронов и ядерные реакторы. Эти источни­ки испускают в основном быстрые и промежуточные нейтроны, то­гда как процесс активации наиболее эффективен при воздействии тепловых и медленных нейтронов. В связи с этим первичный поток ней­тронов (быстрых и/или промежуточных) пропускают через замедли­тели (вещества, содержащие водород - парафин или воду). Обычно при нейтронно-активационном методе используются потоки тепловых (замедленных) нейтронов мощностью 10⁶…10⁹ нейтр/(с∙ см²)

Интенсивность наведенной радиоактивности определяется урав­нением

 

α =Фσ λ nt

 

где Ф - плотность облучающего потока нейтронов, нейтр/(с-см²)^-1;

σ - эффективное сечение активации, т.е. эффективное сечение взаимодействия излучения с веществом, барн;

λ - постоянная полураспада радиоактивного изотопа (образу­ются изотопы с малым периодом полураспада);

n - количество атомов данного химического элемента в 1 см³;

t - время облучения (время облучения материала не превышает 1 с), с

В качестве источников используются нейтронные размножители, генераторы нейтронов, ускорители электронов. Эти источники ис­пускают быстрые и промежуточные нейтроны, тогда как процесс ак­тивации наиболее эффективен при действии тепловых нейтронов и медленных.

При плотности потока 10⁶ нейтр/(с∙ см²) наведенная активность низка для большинства элементов, за исключением индия, диспро­зия, радия, серебра, скандия, иридия. При увеличении облучающего потока до 10⁷...10⁹ нейтр/(с∙ см²) становится возможным осуществить сепарацию руд, содержащих алюминий, медь, марганец, титан, желе­зо. Поток нейтронов с плотностью 10⁶ нейтр/(с∙ см²) может быть обеспечен ускорителем заряженных частиц в сочетании с бериллиевой мишенью или атомным реактором, однако они имеют высокую стоимость и сложны в эксплуатации.

Нейтронно-активационный метод применяется с 1968 года на не­скольких отечественных месторождениях для экспресс-анализа флюо­рита в вагонетках. Под влиянием воздействия потока нейтронов атомы фтора превращаются в радиоактивный атом азота. Рас­пространителем быстрых нейтронов служит ампульный полониево-бериллиевый источник активностью 10⁷ нейтр/(с∙ см²). Детектором гамма-излучения являются 17 газоразрядных счетчиков, рас­положенных в два слоя в кассете размером 300x190x80 мм.

Облучение и измерение производится с одной боковой стенки ку­зова вагонетки объемом 1 м³. Время активации и измерения состав­ляет по 20 с, а время выдержки - 3, 5 с. На одном месторождении этим методом удается отделить 10...20 % пустой породы и забалан­совой руды. Среднеквадратичная ошибка составляет ±3, 6 %.

Этим методом можно в вагонетках опробовать апатитовые руды по фтору, входящему в состав апатита. Счетчики - сцинтилляционные: измерение - 20 с, диаметр кусков не более 250 мм, толщина около 50 мм.

Количество отсортированной на контрольных станциях пустой порода составляет:

- в вагонетках - до 25 %;

- в ковшах экскаваторов - до 18 %;

- в автомашинах - до 20 %.

Уменьшение потерь металлов за счет сортировки достигает 5...6%.

Абсорбционные методы

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Сущность магнитного метода обогащения.
2. Физические основы метода магнитного обогащения.
3. Фотонейтронный (гамма-нейтронный) метод обогащения