Фотонейтронный (гамма-нейтронный) метод обогащения

Данный метод основан на измерении интенсивности искусственно наведенного излучения. Характер первичного излучения фиксирует­ся датчиком различий.

При фотонейтронной, или гамма-нейтронной, сепарации исход­ный материал подвергается облучению гамма-квантами определен­ной энергии с последующим разделением кусков руды по интенсив­ности потока нейтронов. Для возбуждения реакции могут быть применены как изотопные источники гамма-излучения, так и ускорители электронов.

При прохождении через вещество гамма-излучение, представ­ляющее собой электромагнитные волны, взаимодействует с атома­ми вещества, т.е. электронами и атомными ядрами. Взаимодействие гамма-излучения с веществом проявляется в следующих формах:

- фотоядерная реакция;

- фотоэффект;

- эффект Комптона;

- образование электронно-позитронных пар.

Вероятность протекания какого-либо из перечисленных процессов зависит от энергии гамма-излучения. Фотоядерные реакции (γ, n), (γ, р) и (γ, α), т.е. реакции с образованием нейтронов, протонов или аль­фа-частиц, называемые также ядерным фотоэффектом, протекают под действием гамма-излучения больших энергий. Протоны и аль­фа-частицы, обладая большой массой и зарядом, имеют низкую проникающую способность и практически не покидают объем облу­чаемого полезного ископаемого. Поэтому для радиометрического обогащения интерес представляет лишь реакция с испусканием нейтронов.

Метод радиометрического обогащения, основанный на исполь­зовании различий в регистрируемой плотности потока нейтро­нов, возникающих при облучении гамма-квантами объемов полезно­го ископаемого, называется фотонейтронным. Разделение про­дуктов производится по плотности потока нейтронов.

Необходимым условием для осуществления фотоядерной реакции является превышение энергии гамма-кванта Е_γ над энергией отделе­ния нейтронов E_n т.е. Е_γ>Е_n. Полное число образующихся фотоней­тронов зависит от активности источника i, сечения фотоядерной ре­акции σ_ф.я., расстояния от источника r, полного коэффициента ослаб­ления гамма-излучения μ и содержания химического элемента С, вступающего в реакцию. В случае точечного источника монохрома­тических гамма-квантов число нейтронов, образующихся в секунду в единице объема вещества на расстоянии r, равно:

где n₀ - число ядер в единице объема химически чистого расщепляе­мого вещества.

Каждый химический элемент характеризуется определенным по­рогом реакции (γ, n) и ее эффективным сечением σ_фя. Минимальный порог фотонейтронных реакций имеют бериллий и дейтерий, а наи­больший - углерод (18,7 МэВ) и гелий (20 МэВ). Для большей части остальных химических элементов пороговая энергия находится в диапазоне 6... 16 МэВ.

Сечение фотоядерного эффекта определяется по формуле

где α – коэффициент, изменяющийся от 1,5 до 3 и зависящий от обменных свойств ядер.

Сечение реакции (γ, n) с возрастанием энергии гамма-квантов сначала увеличивается до некоторого максимального значения (об­ласть резонанса), а затем опять уменьшается.

Таким образом, мощность потока нейтронов зависит от активно­сти источника и содержания определяемого элемента в куске, а эф­фективность регистрации потока нейтронов определяется применяе­мыми детекторами и их расположением.

Схемы обогащения бериллиевых руд мало отличаются от схем обо­гащения урановых руд. Они так же включают дробление руды до крупности 200 мм, грохочение руды, промывку и сепарацию материа­ла крупнее 25 мм. Выход хвостов зависит от гранулометрической ха­рактеристики руды и ее контрастности, и составляет 49...63,3 % от се­парируемого материала. Потери бериллия не превышают 3,14...12,6 %. В настоящее время гамма-нейтронный метод получил применение только для бериллиевых руд. Это связано с тем, что для бериллиевых руд имеет место высокая избирательность реакции (γ, n):

⁹Be + γ = ⁸Be + ¹n

Энергетический порог этой реакции составляет 1,66 МэВ, а сле­дующий элемент дейтерий, дающий реакцию (γ, и), имеет порог ре­акции 2,2 МэВ. Для всех остальных элементов этот порог превышает 6 МэВ, поэтому гамма-лучи в диапазоне энергии больше 1,66 МэВ и меньше 2,2 МэВ будут вызывать фотоядерную реакцию только на ядрах бериллия. Низкий энергетический порог этой реакция позволя­ет использовать в качестве источника гамма-лучей ампульный ра­диоактивный изотоп сурьмы ¹²⁴Sb. Сечение реакции (γ, п) на берил­лий мало (8 = 10~³ барн, 1 барн = 10~²⁸ м²). В связи с этим замер излу­чения необходимо вести в течение 1...3 с. Это требует применения весьма активного источника гамма-лучей и совершенствования кон­струкции сепаратора.

У нас выпускают три типа фотонейтронных сепараторов (Таблица 4 - Фотонейтронные сепараторы).

Таблица 4 - Фотонейтронные сепараторы

На одном отечественном бериллиевом месторождении установка радиометрического метода обогащения позволяет выделить 60 % товарной руды при извлечении до 91 % металла. При этом в отвал выводится 20 % хвостов с поте­рями 2,1 %. Одновременно выделяется и складируется 20 % некон­диционной руды.