Устройство концентрирования примесей в гексафториде урана

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана. Устройство представляет собой цилиндр 1, изготовленный из холоднотянутой нержавеющей трубы. Через уплотнительные прокладки к обоим концам цилиндра крепятся фланцы 2, 3 с помощью болтовых соединений. В нижнем фланце 3 имеется отверстие, к которому прикреплен корпус дозирующего клапана 4 игольчатого типа, с помощью которого осуществляется плавный напуск анализируемой смеси в источник ионов газового масс-спектрометра. В верхнем фланце 2 смонтировано сальниковое уплотнение штока 5, перемещающего поршень. Поршень 6 состоит из двух разъемных частей. На нижней части поршня установлены прокладка из резины 7 и фторопласта 8. В стенках цилиндра установлены два ниппеля с накидными гайками, с помощью которых производится подсоединение устройства к системе ввода пробы. Верхний ниппель 9 предназначен для создания постоянного вакуума в запоршневом объеме. Нижний ниппель 10 предназначен для напуска и откачки анализируемой газовой смеси в объем устройства. Процесс осуществления сжатия происходит за счет винтовой пары 11, перемещение которой осуществляется поворотом рукоятки 12. Перемещение поршня происходит до нижнего фланца 3. При этом теоретический коэффициент сжатия газа равен отношению объемов цилиндра V₀ и объема отверстия в нижнем фланце V₁. Для исключения конденсации ГФУ на внутренних стенках цилиндра и беспрепятственного перемещения поршня снаружи на цилиндре установлена обмотка нагрева 13. Результат изобретения: создание простого и надежного устройства, размещаемого в системе ввода пробы газового масс-спектрометра и позволяющего эффективно концентрировать примеси в гексафториде урана предварительным сжатием анализируемой пробы при комнатной температуре, повышение чувствительности определения содержания примесей. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания примесей в газообразном гексафториде урана, и может быть использовано на предприятиях ядерно-топливного цикла, например на сублиматных или разделительных заводах.

Определение состава и содержания примесей в газообразном гексафториде урана является наиболее актуальным при осуществлении технологического контроля процессов получения или обогащения гексафторида урана. Для контроля обычно используют газовые масс-спектрометры, которые подключают к технологическим коммуникациям, что позволяет проводить измерения с минимальными затратами времени на подготовку проб гексафторида урана к анализу.

Однако прямое использование газового масс-спектрометра, когда гексафторид урана с присутствующими в нем примесями непосредственно через дозирующий клапан вводится в источник ионов масс-спектрометра [И.Л.Агафонов, Г.Г.Девятых. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой частоты. - М.: Наука, 1980. - 335 с.], часто является неудовлетворительным из-за недостаточной чувствительности такого метода. Предел обнаружения прямого метода измерений составляет около 10^-2% молярных, в то время как содержание примесей в гексафториде урана часто необходимо контролировать на уровне 10^-5%.

Для использования газовых масс-спектрометров применяют различные методы концентрирования примесей, которые позволяют повысить чувствительность методов в 10²÷10³ раз. Сущность этих методов заключается, главным образом, в частичном или полном удалении из анализируемой газовой смеси основного компонента - гексафторида урана.

Например, известно концентрирование примесей путем сорбции гексафторида урана на гранулах фтористого натрия в реакторе, установленном за дозирующим клапаном (в области высокого вакуума) системы ввода пробы газового масс-спектрометра [Патент РФ №2223483, опубл. 02.10.04]. При этом примеси, не сорбируемые на фтористом натрии, свободно поступают в источник ионов масс-спектрометра, что позволяет существенно увеличить расход пробы через дозирующий клапан и повысить чувствительность метода измерений.

Известно криогенное концентрирование примесей путем частичной конденсации гексафторида урана [Патент RU №2187799, опубл. 20.08.02]. Для этого в системе ввода пробы газового масс-спектрометра в трубопроводе вдоль потока гексафторида урана создают равномерный градиент температур от -50 до -80°С. При этом происходит равномерная конденсация гексафторида урана, а примеси, имеющие более высокие давления насыщенных паров и меньшее в сравнении с гексафторидом урана давление в потоке, свободно поступают в ионизационную камеру масс-спектрометра. Степень концентрирования примесей зависит от потока гексафторида урана через дозирующий клапан и составляет в среднем 1000÷1500 раз. Давление гексафторида урана в ионизационной камере не зависит от его расхода и определяется значением минимально устанавливаемой температуры (-80°С). Реализация криогенного метода концентрирования примесей описанного в патенте RU №2187799 происходит в устройстве, которое, являясь близким по технической сущности и достигаемому результату, взято за прототип предлагаемого изобретения.

Известное устройство, устанавливаемое между ионизационной камерой масс-спектрометра и дозирующим клапаном, состоит из двух трубопроводов: для потока азота, испаряемого из сосуда Дьюара, и для потока гексафторида урана, поступающего через дозирующий клапан в ионизационную камеру. Трубопроводы спаяны между собой по всей длине концентратора сплавом из олова. Весь концентратор разбит на пять одинаковых участков. На каждом участке расположены обмотка прогрева и термодатчик, включенные в схему термостабилизации. Поток газообразного азота охлаждает поверхность трубопровода для гексафторида. Регулируя подвод тепла с помощью обмоток нагрева, по всей длине концентратора устанавливают равномерный градиент температур от -80 до -50°С. Контроль температур осуществляется с помощью пяти термопар медь-константан, расположенных на каждом из участков. Вся система помещена в термоизоляционный кожух, образующий цилиндр с дозирующим клапаном на конце.

В качестве недостатков существующего устройства-прототипа можно указать следующие. Во-первых, устройство является достаточно громоздким и дорогостоящим, включающим как сам концентратор, так и электронную часть для стабилизации этой температуры. Во-вторых, для его работы необходимо наличие жидкого азота, расход которого является достаточно большим: 20 литров жидкого азота хватает примерно на 4 часа работы. В-третьих, как показывает опыт эксплуатации такого устройства, при небольшом попадании воздуха в область концентратора анализ некоторых соединений, обладающих более высокими, чем гексафторид урана, гигроскопическими свойствами, становится затруднительным, что приводит к временному изменению метрологических характеристик метода измерений (увеличению пределов обнаружения примесей).

Целью настоящего изобретения является создание простого и надежного устройства, размещаемого в системе ввода пробы газового масс-спектрометра и позволяющего эффективно концентрировать примеси в гексафториде урана предварительным сжатием анализируемой пробы при комнатной температуре.

Техническим результатом изобретения является устранение недостатков прототипа с одновременным повышением чувствительности определения содержания примесей.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве концентрирование примесей в гексафториде урана, содержащем цилиндр, на конце которого закреплен дозирующий клапан для напуска газовой смеси из объема цилиндра в масс-спектрометр, цилиндр снабжен плотно вставленным в него поршнем, к концам которого вакуум-плотно прикреплены два фланца, в один из которых встроен корпус дозирующего клапана, в другом размещено сальниковое уплотнение штока и винтовая пара, с помощью которых осуществляют перемещение поршня при сжатии анализируемой пробы, поршень выполнен из двух разъемных частей с прокладками между ними, в стенках цилиндра установлены два ниппеля, соединяющих его с системой ввода пробы в масс-спектрометр, а на внешней стороне цилиндра расположена обмотка нагрева.

При сжатии анализируемой газовой пробы происходит частичная конденсация гексафторида урана и одновременно с этим концентрирование анализируемых примесей в газовой фазе, что создает возможность определять содержание примесей прямым масс-спектрометрическим методом и рассчитывать содержание примесей в пробе с учетом индивидуальных для каждого примесного соединения коэффициентов концентрирования.

Выполнение анализа с использованием заявляемого устройства стало возможным благодаря различию в физических свойствах гексафторида урана и анализируемых соединений-примесей, которые в сравнении с гексафторидом урана обладают более высокой летучестью (более низкими значениями температур кипения). Это отличие в свойствах соединений приводит к тому, что при сжатии гексафторида урана, при котором происходит частичная конденсация гексафторида урана, примеси концентрируются в газовой фазе. При этом степень концентрирования тем выше, чем больше отличие в физических свойствах.

Принципиальная схема заявляемого устройства приведена на чертеже.

Устройство представляет собой цилиндр 1, изготовленный из холоднотянутой нержавеющей трубы. Через уплотнительные прокладки к обоим концам цилиндра крепятся фланцы 2, 3 с помощью болтовых соединений. В нижнем фланце 3 имеется отверстие, к которому прикреплен корпус дозирующего клапана 4 игольчатого типа, с помощью которого осуществляется плавный напуск анализируемой смеси в источник ионов газового масс-спектрометра.

В верхнем фланце 2 смонтировано сальниковое уплотнение штока 5, перемещающего поршень. Поршень 6 состоит из двух разъемных частей. На нижней части поршня установлены прокладка из резины 7 и фторопласта 8. После установки поршня в цилиндр затягиванием верхней части устраняются зазоры между поршнем и стенками цилиндра.

В стенках цилиндра установлены два ниппеля с накидными гайками, с помощью которых производится подсоединение устройства к системе ввода пробы. Верхний ниппель 9 предназначен для создания постоянного вакуума в запоршневом объеме. Нижний ниппель 10 предназначен для напуска и откачки анализируемой газовой смеси в объем устройства.

Процесс осуществления сжатия происходит за счет винтовой пары 11, перемещение которой осуществляется поворотом рукоятки 12. Перемещение поршня происходит до нижнего фланца 3. При этом теоретический коэффициент сжатия газа равен отношению объемов цилиндра V₀ (˜3000 см³) и объема отверстия в нижнем фланце V₁ (˜1,5 см³) и составляет около 2000.

Для исключения конденсации гексафторида урана на внутренних стенках цилиндра и беспрепятственного перемещения поршня с наружи на цилиндре установлена обмотка нагрева 13, с помощью которой температура поверхности цилиндра поддерживается на 10÷20°С больше, чем температура нижнего фланца 3 и поршня 6.

Определение содержания примесей в гексафториде урана масс-спектрометрическим методом с предварительным концентрированием примесей путем сжатия газа в заявляемом устройстве выполняют в следующем порядке:

- напускают анализируемую газовую пробу гексафторида урана в устройство;

- проводят сжатие пробы, перемещая поршень устройства в нижнее положение;

- открывают дозирующий клапан и напускают сконцентрированную пробу в ионизационную камеру масс-спектрометра;

- записывают масс-спектр сконцентрированной пробы;

- проводят расширение пробы, перемещая поршень устройства в верхнее положение;

- записывают масс-спектр неконцентрированной пробы, принимая его за фоновый;

- по величине выходных сигналов полученных масс-спектров производят расчет молярной доли примесей с учетом индивидуальных коэффициентов концентрирования.

Коэффициент концентрирования для каждого из анализируемых соединений определяют предварительно на калибровочных смесях для выбранных физических условий осуществления сжатия (температуры, начального давления и т.д.) и конструкции устройства (соотношения исходного и конечного объемов). Отличие в значениях коэффициентов концентрирования, полученных для различных соединений, объясняется индивидуальной степенью растворимости соединений в образующейся твердой фазе гексафторида урана.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1. Проводилось определение содержания примесей в калибровочных смесях КС1 и КС2 с молярной долей С_приг примесей 3,3 и 3,2 ppm соответственно. Расчет молярной доли примесей проводился с использованием коэффициентов относительной чувствительности и концентрирования, приведенных в таблице 1. В таблице 2 приведены результаты единичных определений. Представленные данные показывают, что относительная погрешность единичного определения для представленных примесных соединений не превышает 30%.

Пример 2. Проводилось определение содержания примесей в реальных пробах обогащенного гексафторида урана различными способами: с предварительным концентрированием примесей путем сжатия гексафторида урана в заявляемом устройстве, масс-спектрометрическим способом с криогенным концентрированием примесей (МС КРК) и масс-спектрометрическим способом с индуктивно-связанной плазмой (МС ИСП). Сравнение проводилось по обнаруженным в данных пробах соединениям вольфрама и молибдена. В таблице 3 приведены полученные результаты измерений, для удобства сравнения все результаты измерений выражены в массовых долях: микрограмм примесного элемента на грамм урана, что соответствует 1 ppm.

Массовую долю примесей в единицах ppm вычисляли по формуле:

где - молярная доля примесей в пробе, %;

А_i - атомная масса элемента;

A_U - атомная масса урана.

Приведенные в таблице 3 данные указывают на удовлетворительное схождение результатов измерений содержания вольфрама и молибдена в первых двух пробах гексафторида урана. Сравнение результатов определения содержания примесей в других двух пробах свидетельствуют о том, что метод определения содержания примесей с использованием заявляемого устройства обладает более высокой чувствительностью - пределы обнаружения вольфрама и молибдена составляют ˜0,01 мкг/rU, в то время как у известных методов ˜0,1 мкг/rU.

Источники информации

1. RU №2187799 от 20.08.2002 г., МПК G01N 27/62; C01G 43/06.

2. RU №2227291 от 20.04.2004 г., G01N 30/02.

3. RU №94030828 от 10.06.1996 г.

1. Устройство концентрирования примесей в гексафториде урана, содержащее цилиндр, на конце которого установлен дозирующий клапан для напуска газовой смеси из объема цилиндра в ионизационную камеру масс-спектрометра, отличающееся тем, что цилиндр снабжен плотно вставленным в него поршнем, к концам которого вакуумплотно прикреплены два фланца, в один из которых встроен корпус дозирующего клапана, в другом размещено сальниковое уплотнение штока и винтовая пара, с помощью которых осуществляют перемещение поршня в цилиндре, при этом поршень состоит из двух разъемных частей с расположенными между ними прокладками, с помощью которых осуществляется уплотнение поршня на внутренних стенках цилиндра, на которых также закреплены два ниппеля для подсоединения устройства к системе ввода пробы газового масс-спектрометра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на цилиндре размещена обмотка нагрева для поддержания температуры цилиндра на 10-20°С больше комнатной.