авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Оптическое детектирование йодсодержащих веществ в жидких средах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Симановский Илья Григорьевич

оптическое детектирование

йодсодержащих веществ в жидких средах

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

автор:

Москва – 2009

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Киреев Сергей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Губин Михаил Александрович

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

кандидат физико-математических наук,

с. н. с. Прохоров Кирилл Александрович

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Ведущая организация: Институт спектроскопии РАН,

г. Троицк

Защита состоится «30» сентября 2009 г. в 14 час. 00 мин. на заседании

диссертационного совета Д 212.130.05 в аудитории К-608 Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ” по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, дом 31, тел. (495)324-87-66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан «___»____________________2009 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета Евсеев И.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований. В настоящее время чрезвычайно актуальными являются проблемы, связанные как с разработкой новых более совершенных и экономически выгодных технологий переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ), так и с повышением эффективности и экологической безопасности существующих технологий переработки. Решение этих проблем приобретает особую значимость для успешной реализации плана по развитию атомной энергетики в России – к 2030 году довести производство атомной энергии до 25% от общего количества производимой в нашей стране электроэнергии.

Составной частью процесса существующей технологии переработки ОЯТ является его азотнокислое растворение с последующим выщелачиванием. Образующиеся в результате этого жидкий и газовый потоки, содержащие целый ряд токсичных веществ, пройдя системы очистки, в виде выбросов поступают в окружающую среду. Одним из наиболее радиологически значимых радионуклидов, образующихся при переработке ОЯТ, является глобальный радионуклид йод-129. В силу того, йод-129 имеет период полураспада порядка 1,6·107 лет, этот изотоп обладает свойством куммулятивности – попав а биосферу, он накапливается в ней, внося заметный вклад в глобальную дозу облучения населения [1].

В жидких средах йод-129, являясь химически высокоактивным, образует большое количество йодсодержащих форм, к числу которых, прежде всего, относятся различные анионы йода. Наличие или отсутствие того или иного йодсодержащего вещества в технологическом растворе в первую очередь определяется условиями процесса переработки ОЯТ и заранее неочевидно. Так, на разных стадиях переработки могут образовываться нейтральные, кислые и щелочные жидкие среды. В зависимости от кислотности среды состав йодсодержащих веществ в ней (и соотношения между их концентрациями) может быть существенно разным.



Обеспечение контроля различных форм йода-129 в образующихся в жидких средах при переработке ОЯТ в реальном масштабе времени необходимо для решения ряда важных задач: во-первых, для контроля за ходом технологического процесса с целью повышения его эффективности, во-вторых, для осуществления контроля за надежностью систем очистки с целью предотвращения экологических катастроф, в-третьих, для исследования кинетики реакций, протекающих в технологических жидких средах, что важно, в том числе, при разработке новых технологий переработки ОЯТ.

В настоящее время существует обширный ряд различных, в первую очередь аналитических химических методов детектирования веществ, содержащих йод в той или иной форме, в жидких средах. Несмотря на достаточно высокие чувствительности (лучший из этих методов обеспечивает чувствительность детектирования молекулярного йода и аниона I– на уровне 1013 см-3 [2]), существенным недостатком, ограничивающим возможность их практического применения для решения поставленных выше задач, является невозможность проводить измерения в реальном масштабе времени. Еще один существенный недостаток данных методов заключается в том, что с их помощью можно либо одновременно определить концентрации не более одного - двух йодсодержащих веществ, либо измерить только суммарную концентрацию всех йодсодержащих веществ, присутствующих в анализируемом растворе. Поэтому эти методы нельзя использовать в решении задач, связанных с отслеживанием кинетики реакций, протекающих при переработке ОЯТ, поскольку для этого нужна информация о всех имеющихся в растворе формах йодсодержащих веществ.

Одними из наиболее перспективных методов, сочетающих высокую чувствительность с возможностью проведения измерений в реальном масштабе времени, являются методы спектроскопии, в особенности с применением современных оптических систем в сочетании с автоматизированными методами обработки результатов измерений. Из разработанных на сегодняшний день способов детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах в реальном масштабе времени, наиболее высокочувствительный основан на измерении интенсивности излучения, прошедшего через поглощающую среду, на нескольких длинах волн, расположенных в видимой области спектра [3, 4]. Этот способ позволяет детектировать I2, , I– с чувствительностью на уровне 3·1014 см-3. Однако этой чувствительности недостаточно для решения поставленных выше задач. Во-первых, дальнейшее повышение чувствительности необходимо для наблюдения за кинетикой реакций, протекающих в технологических жидких средах: улучшение чувствительности позволит обнаруживать начало различных реакций на более ранних стадиях, что, как следствие, даст возможность более эффективно влиять на процесс переработки ОЯТ. Во-вторых, для обеспечения экологической безопасности предприятий ЯТЦ при осуществлении контроля за системами очистки необходимо детектировать йод-129 на уровне ПДК этого изотопа в сточных водах, которая составляет 7,7·1011 см-3 (1,3·10-12 моль/мл).

Кроме того, в жидких средах процессов переработки помимо исследованных в этой работе йодсодержащих веществ, имеется трииодид-ион , который также необходимо детектировать.

Как показали проведенные нами предварительные экспериментальные исследования, чувствительность разработанного в [3, 4] способа может быть повышена при проведении измерений в более коротковолновом спектральном диапазоне, поскольку в области 200-400 нм йодсодержащие вещества имеют ряд линий поглощения, для которых величины сечений поглощения в несколько раз превышают величины сечений поглощения в видимой области спектра.

Кроме того, как показывают предварительные исследования, наличие в технологических растворах нерастворенных рассеивающих излучение частиц может существенно снизить точность оптических способов детектирования йодсодержащих веществ. В качестве решения данной проблемы в настоящей работе предложена методика, основанная на применении лазерных источников излучения.

Цель работы. Целью настоящей работы является проведение цикла исследований поглощения йодсодержащих веществ в жидких средах в УФ и видимом диапазонах спектра и разработка на их основе оптических способов, предназначенных для детектирования данных веществ в технологических процессах переработки ОЯТ в реальном масштабе времени.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведен широкий комплекс исследований спектров поглощения йодсодержащих веществ (I2, , I– и ) в жидких нейтральных, кислых и щелочных средах, характерных для технологических процессов переработки ОЯТ:

  • Впервые определены величины сечений поглощения йодсодержащих веществ в жидких средах в спектральной области 200-400 нм. Исследованы зависимости коэффициентов поглощения йодсодержащих веществ от их концентраций;
  • Впервые предложен оптический способ одновременного определения концентраций молекулярного йода и анионов I– и в нейтральных жидких средах в реальном масштабе времени, основанный на абсорбционном методе;
  • Впервые предложен оптический способ одновременного определения концентраций I2, , I– и в кислых и щелочных жидких средах в реальном масштабе времени, основанный на абсорбционном методе;
  • Исследовано влияние значений длин волн излучения, на которых производятся измерения, на точность детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах разработанными способами. Определены оптимальные, с точки зрения достижения наилучшей точности детектирования, значения данных параметров;
  • Исследовано рассеяние лазерного излучения частицами, содержащимися в жидких средах, характерных для процессов переработки ОЯТ. Показано, что учет рассеяния позволяет заметно (до нескольких десятков процентов) повысить точность детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах;
  • Исследовано влияние соотношения между концентрациями йодсодержащих веществ в анализируемых жидких средах на точность их детектирования. Определены границы применимости разработанных способов детектирования йодсодержащих веществ;
  • Исследовано влияние ряда веществ ((UO2)2+, , Ba2+, Sr2+, Cs+, Nd3+, Sm3+, Gd3+ и Ce3+), содержащихся в жидких средах, в которых необходимо детектировать йодсодержащие вещества, на точность способов детектирования йодсодержащих веществ. Определены оптимальные, с точки зрения достижения наилучшей точности детектирования йодсодержащих веществ, значения длин волн излучения, на которых необходимо проводить измерения.
  • На основе проведенных исследований были предложены новые оптические способы определения концентраций йодсодержащих веществ в нейтральных, кислых и щелочных жидких средах в реальном масштабе времени. Разработанные способы в настоящее время используются НПО “Радиевый институт им. В.Г. Хлопина” для мониторинга кинетики физико-химических реакций в жидких технологический средах, образующихся при переработке ОЯТ (Приложение 1).
  • На основе разработанных способов предполагается создание автоматизированной системы детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах в реальном масштабе времени, предназначенной для применения на предприятиях атомной отрасли, перерабатывающих ОЯТ.
  • Внедрение разработанных способов позволит проводить мониторинг технологических процессов переработки ОЯТ в реальном масштабе времени, что важно как с точки зрения повышения их эффективности, так и с точки зрения обеспечения экологической безопасности.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

  • Экспериментально полученные значения сечений поглощения йодсодержащих веществ (I2, , I– и ) в жидких средах, значения длин волн детектирования йодсодержащих веществ;
  • Оптический способ детектирования I2, I– и в нейтральных жидких средах в реальном масштабе времени, основанный на абсорбционном методе;
  • Оптический способ детектирования I2, , I– и в кислых и щелочных жидких средах в реальном масштабе времени, основанный на абсорбционном методе;
  • Учет влияния рассеяния лазерного излучения на точность разработанных оптических способов детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах;
  • Учет влияния соотношений между концентрациями йодсодержащих веществ, поглощающих примесей ((UO2)2+, , Ba2+, Sr2+, Cs+, Nd3+, Sm3+, Gd3+ и Ce3+) на точность разработанных способов детектирования йодсодержащих веществ;
  • Чувствительность оптических способов детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах в реальном масштабе времени, разработанных на основе экспериментально полученных данных, позволяет использовать эти способы в реальных условиях для мониторинга технологических процессов переработки ОЯТ.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:





  • на 7-й Международной научной конференции “Молекулярная биология, химия и физика гетерогенных систем”, Москва-Плес, 2003;
  • на III научно-технической конференции “Научно-инновационное сотрудничество”, Москва, 2004;
  • на 6-й Международной научной конференции “Экология человека и природа”, Москва-Плес, 2004;
  • на инновационном форуме РОСАТОМа”, Москва, 2007 г.;
  • на ежегодной Научной сессии МИФИ в 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 годах.

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в период с 2004 по 2008 год. Из них в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК, опубликованы 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и одного приложения и изложена на 126 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка, 17 таблиц и список литературы, содержащий 128 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, дан обзор работ по данной области исследований, сформулирована цель диссертации, отражена новизна и практическая значимость, приведены выносимые на защиту основные результаты работы, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена исследованиям спектров поглощения йодсодержащих веществ (I2, , I– и ) в жидких нейтральных, кислых и щелочных средах в спектральном диапазоне 200-600 нм.

Экспериментально получены спектры поглощения йодсодержащих веществ (рис. 1), где коэффициент поглощения йодсодержащего вещества определялся в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

(, n) = (1/l)·ln(J0()/J(, n)),

где l – длина ячейки, J0() и J(, n) – интенсивности прошедшего излучения на длине волны в отсутствие и при наличии поглощающего вещества с концентрацией n соответственно.

Определены величины сечений поглощения во всем исследованном диапазоне, исследованы зависимости коэффициентов поглощения от концентраций йодсодержащих веществ. Показано, что если для молекулярного йода и аниона зависимости оказались линейными и хорошо описываются законом Бера:

(, n) = ()·n, (1)

где () - сечение поглощения, то для анионов I– и хорошее согласие с экспериментальными результатами достигается при использовании следующей зависимости коэффициентов поглощения этих веществ от их концентрации:

(, n) = ()·n+ ()·n2, (2)

где () - коэффициент пропорциональности при n2 на длине волны . При этом, для аниона I– зависимость коэффициента поглощения от концентрации продолжает хорошо описываться выражением (1) для концентраций меньших 21016 см-3 (при этой концентрации отклонение от линейной зависимости составляет 5%). Коэффициенты () для I– и определены во всем исследованном спектральном диапазоне.

Показано, что в нейтральных жидких средах необходимо осуществлять одновременное детектирование трех йодсодержащих веществ (I2, I–, ), а в кислых и щелочных – четырех (I2, I–, и ).

На основании полученных результатов определены оптимальные спектральные диапазоны для оптического детектирования йодсодержащих веществ: 200-240 нм для детектирования I2, , I–; 250-500 нм для детектирования .

Во второй главе представлены полученные на основе проведенных экспериментальных исследований результаты разработки способов определения концентрации йодсодержащих веществ в реальном масштабе времени в нейтральных, кислых и щелочных жидких средах, основанных на абсорбционном методе. Определены значения длин волн проведения измерений, оптимальных с точки зрения достижения наилучшей точности детектирования йодсодержащих веществ в жидких средах.

Показано, что в нейтральных, кислых и щелочных жидких средах задача определения концентрации аниона с наилучшей чувствительностью достигается измерением коэффициента поглощения на длине волны 288 нм. С учетом того, что относительная погрешность измерений интенсивностей источника излучения составляла 10-3, а чувствительность определялась из стандартного условия “сигнал/шум = 3”, минимально обнаружимая концентрация I3– определяется выражением:

(3)

Полученная из (3) величина чувствительности детектирования I3– приведена в таблице 1.

Таблица 1


Длина волны измерения Чувствительность, см-3 (длина ячейки 10 см)
[I3-]min см-3 288 нм 1,31013
моль/мл 2,210-11
г/мл 8,210-9


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.