Применение спектрометрии: ядерная энергетика

 

Белорусский государственный университет

Физический факультет

Кафедра ядерной физики и электроники

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Применение спектрометрии: Ядерная  энергетика

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 4 курса, 2 группы,

физического факультета БГУ

специальности «Физика»

Лойко Виктор Викторович

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск

2012 

Содержание

 

 

 

Введение 3

Масс-спектрометр 4

Применение  масс-спектрометрии 6

Масс-спектрометрия  в ядерной энергетике 8

Спектрометр ELEMENT2 13

Заключение 14

Список использованных источников 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

 

Ядерная спектрометрия представляет собой совокупность методов, предназначенных  для изучения свойств элементарных частиц и атомных ядер путем измерения и интерпретации спектров их излучений, т.е. распределении числа частиц по некоторым физическим параметрам (энергии, массе и т.п.). В свое время методы ядерной спектрометрии сыграли важную роль в исследовании структуры атомного ядра, позволив установить свойства основных и возбужденных состояний ядер, на основании которых удалось построить современные модели атомного ядра. В настоящее время методы ядерной спектрометрии являются одними из распространенных методов количественного анализа. Нейтронно-активационный, рентгенофлюоресцентный анализы, базирующиеся на спектрометрических методах, широко используются для определения микроколичеств вещества.

Применение этих методов позволило  создать разветвленные банки  ядерных данных, использующиеся при  расчете ядерных реакторов и  других ядерно-физических установок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Масс-спектрометр

 

 

 

Рассмотрим один из наиболее простых  вариантов.

     Масс-спектрометр состоит  из следующих основных частей:

а) ионного источника, где нейтральные  атомы превращаются в ионы (например, под действием нагревания или  СВЧ-поля) и ускоряются электрическим  полем;

б) области постоянных электрических  и магнитных полей;

в) приёмника ионов, определяющего  координаты точек, куда попадают ионы, пересекшие эти поля.

Рисунок 1 – Схема масс-спектрометра: 1 - ионный источник, 2, 4 - щелевые диафрагмы, 3 - область однородных и постоянных электрического и магнитного полей (силовые линии электрического поля направлены вдоль плоскости рисунка  м показаны стрелками, область магнитного поля показана штриховкой, его силовые  линии перпендикулярны плоскости  рисунка), 5 - область однородного  и постоянного магнитного поля (силовые  линии перпендикулярны плоскости  рисунка), 6 - траектория иона, 7 - детектор.

 

     Из ионного источника 1 ускоренные ионы через щель 2  попадают в область 3 постоянного и однородного электрического E и магнитного полей. Направление электрического поля задаётся положением пластин конденсатора и показано стрелками. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка. В области 3 электрическое E и магнитное поля отклоняют ионы в противоположные стороны и величины напряжённости электрического поля Е и индукции магнитного поля подобраны так, чтобы силы их действия на ионы (соответственно qЕ и , где q – заряд, а v – скорость иона) компенсировали друг друга, т.е. было qЕ = . При скорости иона он движется не отклоняясь в области 3 и проходит через вторую щель 4, попадая в область 5 однородного и постоянного магнитного поля c индукцией . В этом поле ион движется по окружности 6, радиус R которой определяется из соотношения:

                                                                                                      (1)

где М – масса иона.

Так как , масса иона определяется из соотношения:

                                                                                             (2)

Таким образом, при известном заряде иона q его масса M определяется радиусом R  круговой орбиты в области 5.

    Если в качестве детектора ионов 7 использовать фотопластинку, то этот радиус с высокой точностью покажет чёрная точка в том месте проявленной фотопластинки, куда попадал пучок ионов. В современных масс-спектрометрах в качестве детекторов обычно используют электронные умножители или микроканальные пластинки. Масс-спектрометр позволяет определять массы с очень высокой относительной точностью .

     Анализ масс-спектрометром смеси атомов различной массы позволяет также определить их относительное содержание в этой смеси. В частности, может быть установлено содержание различных изотопов какого-либо химического элемента.

 

 

 

 

Применение масс-спектрометрии

 

 

 

Разработка новых лекарственных  средств для спасения человека от ранее неизлечимых болезней и  контроль производства лекарств, генная инженерия и биохимия, протеомика. Без масс-спектрометрии немыслим контроль над незаконным распространением наркотических и психотропных средств, криминалистический и клинический  анализ токсичных препаратов, анализ взрывчатых веществ.

Выяснение источника происхождения  очень важно для решения целого ряда вопросов: например, определение  происхождения взрывчатых веществ  помогает найти террористов, наркотиков — бороться с их распространением и перекрывать пути их трафика. Экономическая  безопасность страны более надёжна, если таможенные службы могут не только подтверждать анализами в сомнительных случаях страну происхождения товара, но и его соответствие заявленному  виду и качеству. А анализ нефти  и нефтепродуктов нужен не только для оптимизации процессов переработки  нефти или геологам для поиска новых нефтяных полей, но и для  того, чтобы определить виновных в  разливах нефтяных пятен в океане или на земле.

В эпоху «химизации сельского хозяйства» весьма важным стал вопрос о присутствии  следовых количеств применяемых  химических средств (например, пестицидов) в пищевых продуктах. В мизерных количествах эти вещества могут  нанести непоправимый вред здоровью человека.

Целый ряд техногенных (то есть не существующих в природе, а появившихся  в результате индустриальной деятельности человека) веществ являются супертоксикантами (имеющими отравляющее, канцерогенное  или вредное для здоровья человека действие в предельно низких концентрациях). Примером является хорошо известный  диоксин.

Существование ядерной энергетики немыслимо без масс-спектрометрии. С её помощью определяется степень  обогащения расщепляющихся материалов и их чистота.

Конечно и медицина не обходится  без масс-спектрометрии. Изотопная  масс-спектрометрия углеродных атомов применяется для прямой медицинской  диагностики инфицированности человека Helicobacter pylori и является самым надёжным из всех методов диагностики. Также, масс-спектрометрия применяется  для определения наличия допинга  в крови спортсменов.

Трудно представить область  человеческой деятельности, где не нашлось бы места масс-спектрометрии. Ограничимся просто перечислением: аналитическая химия, биохимия, клиническая  химия, общая химия и органическая химия, фармацевтика, косметика, парфюмерия, пищевая промышленность, химический синтез, нефтехимия и нефтепереработка, контроль окружающей среды, производство полимеров и пластиков, медицина и токсикология, криминалистика, допинговый контроль, контроль наркотических средств, контроль алкогольных напитков, геохимия, геология, гидрология, петрография, минералогия, геохронология, археология, ядерная  промышленность и энергетика, полупроводниковая  промышленность, металлургия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Масс-спектрометрия  в ядерной энергетике

 

 

Масс-спектрометрический анализ, по сути дела, возник из-за потребностей ядерной  энергетики в 40-е годы XX столетия. У  истоков рождения масс-спектрометрического  анализа стоял завод МАТ (Mess Analysen-Technik) в Бремене / Германия, который и  теперь под именем Thermo Finnigan MAT  (Thermo  Electron Scientific Instruments Division) является флагманом  в разработках и производстве масс-спектрометров для анализа  изотопного и элементного состава, широко применяемых во всех отраслях ядерной энергетики во всем мире.

 Научно-исследовательские и  опытно-конструкторские разработки, производство, переработка, утилизация, хранение, контроль окружающей среды  и риска для здоровья людей  требуют постоянной оценки состава,  активности и токсичности расщепляющихся  и сопутствующих материалов. Наряду  с дозиметрическими методами, изотoпная  и элементная масс-спектрометрия  занимает здесь важнейшее место  как единственный метод, позволяющий  однозначно определить элементный  состав материалов и соотношение  изотопов элементов, составляющих  эти материалы.

 Основные применения изотопной  и элементной масс-спектрометрии  в различных аспектах ядерной  энергетики можно разделить на  следующие темы, каждая из которых  может быть также отнесена  к категории, называемой "ядерной  безопасностью":

 

1. Разработка и производство ядерного топлива

 

Примеси посторонних элементов  и изотопный состав расщепляющихся материалов являются основными показателями качества и оказывают решающее воздействие  на технологические режимы их производства и определяют их операционные характеристики и стоимость.

 Масс-спектрометрия как метод  анализа изотопного и элементного  состава в этой области является  основополагающим методом. На  всех предприятиях мира, занятых  производством расщепляющихся материалов  задействованы сотни масс-спектрометров, круглосуточно анализирующих изотопный состав промежуточных продуктов и конечной продукции. В основном здесь используются два вида приборов - специализированные масс-спектрометры для анализа изотопных отношений гексафторида урана (Finnigan MAT 281), с высокой точностью и надежностью проводящие рутинные измерения как в лабораторных, так и в производственных условиях в газах, и термоионизационные масс-спектрометры - ТИМС - (Finnigan TRITON TI), позволяющие в лабораторных условиях получать высочайшие точности при анализе изотопного состава урана, плутония и других материалов через растворы металлов или их оксидов. В последние время все большее распространение получает метод многоколлекторной масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связанной плазме - МК-ИСП/МС - (Finnigan NEPTUNE), позволяющий упростить этапы подготовки пробы и ускорить анализ при возможности достижения точностных характеристик, приближающихся к термоионизационной или газовой масс-спектрометрии с ионизацией электронным ударом.

 Масс-спектрометры для элементного  анализа - с ионизацией в индуктивно-связанной  плазме и регистрацией на одиночном  коллекторе - ИСП/МС - (Finnigan ELEMENT2) позволяют  на сверхследовом уровне определить  примеси в ядерном топливе.

 

2. Переработка вторичного ядерного топлива для повторного использования

 

Повторное использование ядерного топлива не только экономически выгодно, но и снижает нагрузку на хранилища  отработанных расщепляющихся материалов. Использование аналитических методов  приобретает здесь особое значение, поскольку никакими другими кроме  МС невозможно установить степень регенерации  топлива. Разбавление ураном с природной  распространенностью или обедненным ураном требует контроля изотопного состава, как и в случае производства нового топлива. Однако, требуется проводить  дополнительный тщательный контроль на предельно низком уровне содержания изотопов , , , и ряда техногенных элементов, например, технеция (Tc), плутония (Pu), к появлению которых приводит нахождение материалов в реакторе. Все четыре типа приборов, упомянутых в первом случае (газовые масс-спектрометры с ионизацией электронным ударом, ТИМС, ИСП/МС, МК-ИСП/МС), с успехом используются и в этих применениях. Причем, для определения микропримесей посторонних и техногенных элементов прибор ELEMENT2 находится вне конкуренции среди всех методов и других приборов.

 

3. Хранение отходов  ядерных материалов

 

Контроль материалов, подлежащих хранению, и контроль во время хранения, помимо дозиметрии, должен проводиться и  по изотопному / элементному составу, для чего соответствующие масс-спектрометры (ТИМС, ИСП/МС, МК-ИСП/МС) являются незаменимыми. Все остальные аспекты хранения покрываются потребностями и  решениями других пунктов  1-2 и 4-6.

 

4. Установление источников  происхождения расщепляющихся  материалов

 

Масс-спектрометрические методы предоставляют  уникальную возможность установления источников происхождения ядерных  материалов. Если мажорные компоненты материалов (например, уран или плутоний), как правило, не несут информации об источнике происхождения, то минорные компоненты на уровне микропримесей  являются отпечатками технологических  процессов или месторождений. Информативными характеристиками является как микрокомпонентный  прмесный состав, так и соотношение  изотопов в этих компонентах. Естественно, в этом случае требуется высочайшая точность определения как элементной композиции так и изотопной, для  достижения которых необходимо использование  приборов на их предельных возможностях по чувствительности. Наиболее выигрышным в данном применении является использование МК-ИСП/МС (NEPTUNE) и ИСП/МС высокого разрешения (ELEMENT 2).