книги из ГПНТБ / Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии

Об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ДОНБАС“' ДОНЕЦК-1976

впз.і

П21

Гес. ny4.''-’4'W 1

(каучр- ' - Л**3 І

|адггAÆHOГ’, і S АЛЛ I

,є-зб /ЗО

31005—068 М213(04)—76 56—76

(g) Издательство «Донбас», 1976,

ВВЕДЕНИЕ

Основными направлениями развития народного хо­ зяйства СССР на 1976—1980 годы предусмотрено широ­ кое внедрение прогрессивной техники и технологии, обес­ печивающих повышение производительности труда н ка­ чества продукции, ускорение внедрения научных дости­ жений в народное хозяйство.

В век научно-технической революции большую роль играет использование новейших достижений науки и тех­ ники. Это прежде всего относится к области прикладной ядерной физики, которая дала металлургам новые сред­ ства и методы исследований и контроля процессов, основанные на применении радиоактивных изотопов и источников ядерного излучения.

Чрезвычайно эффективно применение радиоактивных изотопов в металлургии при использовании их в каче­ стве меченых атомов (радиоактивных индикаторов) с целью совершенствования технологических процессов.

Металлургические процессы, протекающие в огром­ ных по своим размерам агрегатах при высоких темпера­ турах и давлениях, трудно поддаются непосредственным наблюдениям не только визуально, но и при помощи раз­ личных приборов. Поэтому во многих случаях о ходе процесса судят по косвенным показателям, что очень ча­ сто не дает возможности получать объективные данные для правильной его оценки.

Метка как средство научного исследования приме­ няется очень давно. Достаточно сослаться на пример с кольцеванием птиц: на кольце, надетом на ногу птицы,

3

записано, где и когда произведено кольцевание. Такая простая метка позволяет установить маршруты, скорость перелета птиц и ряд других вопросов.

Но как, например, проследить за превращением и рас­ пределением веществ в сложных металлургических си­ стемах? В подобных случаях кольцевания не приме­ нишь.

Присутствие радиоактивных атомов легко обнару­ жить по тому излучению, которое они непрерывно испу­ скают. Это излучение и служит «меткой» для других атомов того же элемента. Радиоактивные и стабильные атомы одного и того же элемента ведут себя совершенно одинаково в большинстве физико-химических процессов. Именно это делает их чрезвычайно удобной и универ­ сальной меткой, так как радиоактивные элементы прак­ тически можно подмешивать к любому другому веще­ ству или объекту.

Исключительно высокая чувствительность метода и возможность его применения без нарушения хода изу­ чаемого процесса в промышленных агрегатах сделали радиоактивные индикаторы универсальным средством исследования.

Радиоактивные изотопы получили широкое распро­ странение в металлургии и как источники излучения. Здесь необходимо отметить два основных направления: радиоизотопные приборы и гамма-дефектоскопия (про­ свечивание) металлов.

Измерительные устройства, основанные на существу­ ющих ранее принципах действия, часто уже не удовле­ творяют новым повышенным требованиям металлургии. Способность радиоактивного излучения проникать через большие толщи вещества н вызывать в нем ионизацию открыла возможности для создания прежде всего бес­ контактных методов контроля и регулирования, позво­ ливших решить ряд важных технических задач, считав­ шихся ранее неразрешимыми.

4

ОСНОВЫ МЕТОДА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ

Общие понятия об изотопах

Каждый атом химического элемента представляет си­ стему, состоящую из положительно заряженного ядра и электронных оболочек, несущих отрицательный заряд.; Атомное ядро, в свою очередь, состоит из элементарных' частиц двух видов: протонов и нейтронов. Протон—. частица, обладающая положительным зарядом, равным по величине электрическому заряду электрона; нейтрон заряда не имеет. Величина заряда ядра определяется только числом входящих в него протонов. Число прото-, нов в ядре данного элемента строго постоянно, число же нейтронов может меняться. Разновидности атомов одно-, го и того же химического элемента с одним и тем же ко­ личеством протонов и разным количеством нейтронов, іносят название изотопов (буквальный перевод — «зани­ мающий одно и то же место»).

Изотоп элемента принято обозначать символом соот­ ветствующего химического элемента с двумя цифрами — массовым числом А, помещаемым сверху (слева), и атомным номером или зарядом ядра (число протонов), помещаемым внизу (слева). Например, три изотопа хро­ ма обозначаются: 2452Сг, 2453Сг и 2454Сг. Атомный номер не всегда записывается, так как величина заряда ядра определяется химическим символом элемента. Поэтому пользуются упрощенным написанием с указанием только массового числа элемента, например 45Са (кальций-45 или Са-45), 60Со (кобальт-60 или Со-60).

Идентичность химических свойств различных изото­ пов одного и того же элемента лежит в основе метода «меченых» атомов.

Б

Различают устойчивые (природные, стабильные) и не­ устойчивые (очень часто искусственные радиоактивные) изотопы. Вариант метода «меченых» атомов, в котором метка осуществляется при помощи стабильных изотопов,

называют методом стабильных изотопов.

Преимуществами стабильных изотопов являются их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Сложная техника обнаружения, низкие чувствительность и точ­ ность методов количественного определения составляют основные недостатки метода.

Вариант метода меченых атомов, основанный на ис­ пользовании радиоактивных изотопов, называют мето­ дом радиоактивных индикаторов.

! Ядерные превращения можно вызывать искусственно, если ядра атомов бомбардировать заряженными, пред­ варительно ускоренными ядерными частицами.

В результате необычайного прогресса ядерной энер­ гетики появилась практическая возможность получения радиоактивных изотопов практически для всех элементов периодической системы. И для подавляющего большин­ ства их могут быть выбраны изотопы, пригодные для использования в качестве радиоактивных индикаторов. Это обеспечило универсальность метода меченых атомов.

Свойства радиоактивных изотопов

Как уже отмечалось, первое замечательное свойство состоит в том, что радиоактивные атомы какого-либо элемента не отличаются по обычным физическим и хими­ ческим свойствам от нерадиоактивных атомов того же элемента. Например, радиоактивный фосфор с атомным весом 32 (фосфор-32) ничем не отличается от обычного фосфора-31. Во всех химических реакциях поведение фосфора-32 и фосфора-31 совершенно идентично: темпе­ ратура плавления и кипения, цвет, аллотропия и т. п. совершенно одинаковы.

ß

Второе замечательное свойство радиоактивных ато­ мов заключается в их способности испускать различного рода ионизирующие излучения (в основном, трех типов: альфа, бета и гамма), которые при взаимодействии с ве­ ществом прямо или косвенно создают в нем заряженные атомы или молекулы — ионы.

Энергия частиц и гамма-квантов у различных изото­ пов меняется от нескольких десятков килоэлектрон-вольт. (кэВ) до нескольких мегаэлектрон-вольт (МэВ). (Энер­ гию в 1 электрон-вольт приобретает электрон при про­ хождении ускоряющей разности потенциалов в 1 вольт). Например, энергия ß-частиц у фосфора-32— 1,7 МэВ, у серы-35 — 0,17 МэВ, энергия гамма-квантов у кобаль­ та-60— 1,17 и 1,33 МэВ.

Третье свойство — скорость распада радиоактивных веществ. Ее принято характеризовать величиной периода полураспада — промежутка времени, в течение которого распадается половина ядер данного радиоактивного изо­

топа.

Активность радиоактивного изотопа определяется числом распавшихся атомов в единицу времени. За еди­ ницу активности принят 1 кюри — активность такого ко­ личества радиоактивного вещества, в котором в одну се­ кунду происходит 3,7-ІО10 распадов. Производные этой единицы — милликюри (мК) и микрокюри (мкК).

Методы исследования и регистрации излучения зави­ сят от вида излучения и характера взаимодействия его с веществом, результатом которого является ионизация.

Работа с радиоактивными веществами

Выбор радиоактивных изотопов для исследования ка­ кого-либо металлургического процесса определяется фи­ зико-химическими свойствами вещества изотопа, видом и энергией излучения, периодом полураспада, общей и удельной активностью. Поэтому далеко не все нзвест-

7

ные искусственные и естественные радиоактивные изо­ топы могут служить индикаторами. Количество пригод­ ных для использования в металлургии изотопов ограни­ чено. Например, желательно, чтобы период полураспада изотопа был минимальным, но не меньше времени экспе­ римента, от которого зависит общая начальная актив­ ность. В то же время остаточная интенсивность излуче­ ния должна быть достаточной для надежной регистра­ ции соответствующими приборами. В металлургических исследованиях чаще всего применяются изотопы с пе­ риодом полураспада от нескольких до 60 суток.

Если требуется выяснить поведение какого-либо хи­ мического элемента в процессе, чрезвычайно желательно использовать радиоактивный изотоп того же элемента и в том же соединении, что и исследуемый элемент.

При исследовании процессов бывает нужно, чтобы вводимый в систему изотоп находился только в металле или только в шлаке. Например, для определения массы металла в металлургическом агрегате следует применять такой радиоактивный изотоп, который не окислялся бы и не переходил в шлак.

Для других целей важны другие физико-химические- характеристики. Так, чтобы проконтролировать процесс износа футеровки металлургических агрегатов, следует использовать радиоактивные изотопы, обладающие вы­ сокой температурой плавления и большим атомным но­ мером (примеры выбора изотопов для различных иссле­ дований приведены дальше).

Радиоактивные вещества изготавливаются и постав­ ляются потребителям или непосредственно в смеси изо­ топов соответствующего чистого элемента, причем радио­ активные атомы составляют тысячные и меньшие доли процента, или в различных химических соединениях. Пре­ параты характеризуются удельной радиоактивностью в милликюри на грамм вещества. Например, порошкооб­ разный красный фосфор, содержащий фосфор-32, по­

S

ставляется с удельной активностью 100—400 мКУг, каль­ ция-45 (окись кальция) — 1—6 мК/г, хрома-51 (окись хрома) — 100—1500 мК/г и т. д.

Радиоактивные препараты могут быть твердыми, жидкими, сыпучими и газообразными. Ассортимент хи­ мических соединений, меченіных по самым различным изотопам, поставляемых Всесоюзным объединением «Изотоп», достаточно широк. Но не всегда нужные со­ единения оказываются в промышленном выпуске. По­ этому часто возникает необходимость приготовления их непосредственно в лаборатории, используя для этого в качестве основы наиболее близкое к требуемому мече­ ное соединение. В лаборатории проводится и дальней­ шая подготовка радиоактивных изотопов для проведе­ ния работы в производственных условиях: расфасовка и дозировка (отвешивание или отмеривание), выплавка радиоактивных .металлов или флюсов, дробление шла­ ков, руд, известняка, различные методы активирования исходных материалов.

Большей частью радиоактивный изотоп можно ввести непосредственно в поставляемых ампулах и пеналах, поместив их предварительно в защитные оболочки (кера­ мические или металлические ампулы и т. д.). В таком виде ампула крепится к металлической штанге и' вводит­ ся в изложницу с жидким металлом, в определенную точку расплава в мартеновской печи и т. д. В других случаях источник излучения помещают в отверстие, вы­ сверленное в куске шихтового материала, после чего от­ верстие забивают пробкой из того же материала или огнеупорной глиной. Такой способ применяют для приго­ товления индикаторной шихты при исследовании движе­ ния шихтовых материалов в доменной печи.

Очень часто пометить материал можно только мето­ дом пропитки. Так, например, активируют руду и кокс, погружая куски их в раствор соли железа, содержащий радиоактивный изотоп железа-59; известняк мелких

9