A vizsgált szerkezeti anyagok

A kísérletsorozatok számát és az egyes sorozatokban vizsgált szerkezeti anyagok fontosabb jellemzőt a IV.1. táblázat atrtalmazza.

IV.1. táblázat: A vizsgált szerkezeti anyagok Kísérletsorozat

száma Szerkezeti anyag Méret

I. 2. blokki 2. GF IV Fűtőelem kazettafal

(Zr+2,5%Nb) 1 cm x 1 cm lemez IV.2. A kontaminációs vizsgálatok végrehajtása

IV.2.1. Az alkalmazott modellrendszer ismertetése

IV.2.1.1. Dinamikus cirkulációs modellrendszer acélfelületek vizsgálatára

Az I. kísérletsorozatban urán-akkumuláció mértékének, idő- és pH-függésének (30 órás intervallumban) tanulmányozását végeztük a PA Zrt által biztosított 4 db - 2. blokki 2. GF-ből kivágott - hőátadócső belső felületén 4 különböző pH-jú, de azonos U-koncentrációjú bórsavas modelloldatból (20 g·dm^-3 H3BO3 + 1 ppm U).

A II. és III. kísérletsorozatban az urán- és transzurán (Pu, Am, Cm) akkumuláció (30 órás adszorpció+ 20 órás deszorpció) dinamikus vizsgálatát PA Zrt. által biztosított 2 db – (1/5 GF-ből kivágott hőátadó cső, inaktív acél tokanyag) - acélcsőmintán a vizsgálatokhoz kifejlesztett modellrendszerekben végeztük.

Az I.-II. kísérletsorozatban alkalmazott cirkulációs modellrendszer összeállítási rajzát a IV.1. ábra mutatja. A IV.2-IV.4. ábrákon a cirkulációs rendszerről a beüzemelés különböző fázisaiban készült fényképek láthatók. A cirkulációs rendszer valamennyi elemének szerkezeti anyaga ausztenites korrózióálló acél (az acélkeret típusa: DIN 1.4541). Az oldat keringtetését fordulatszám szabályozó egységgel felszerelt centrifugál szivattyú végezte. A lehető legalacsonyabb oldattérfogat/kezelt felület arány biztosítása érdekében – a kereskedelmi

forgalomban beszerezhető – legkisebb sajáttérfogattal (18 cm³) rendelkező korrózióálló acélból készült centrifugál szivattyút építettük be a körbe.

A centrifugál szivattyú térfogatsebességének, s így a vizsgált acélcső-szakaszban kialakuló lineáris áramlási sebesség kalibrálásához Kent KSSW típusú vízórát használtunk (IV.2. ábra). A szivattyú teljesítménye a 0-23,7 dm³/perc térfogatsebesség (azaz a 0-3,0 m/s lineáris áramlási sebesség) tartományban biztosítja a magas hőmérsékletű (akár max. 95 ^oC) bórsavas oldat tartós keringetését.

Az áramlástechnikai szempontból optimalizált cirkulációs kör, valamint a mintavételt, feltöltést-leeresztést, illetve légtelenítést biztosító golyóscsapok és a szivattyú együttes sajáttérfogata egyetlen vizsgálati lépésben sem haladta meg a 99 cm³-t. A vizsgált acélcsőminta flexibilis rögzítése szilikoncső közti elemek segítségével történt (IV.3. ábra). A felhasznált oldatok megfelelő hőmérsékletének biztosítása érdekében a vizsgált csőszakaszt termosztáló burkolattal láttuk el. A korrózióálló acél termosztáló burkolatban áramló víz hőmérsékletének (s így az ellenőrzött csőszakasz hőmérsékletének) beállítása és szabályozása termosztáttal történt. A hőveszteségek csökkentésére a teljes cirkulációs kört “polifoam csőhéj” szigeteléssel láttuk el (IV.4. ábra).

Amint a IV1. ábra szemlélteti, a cirkulációs modellrendszer feltöltését oldattal, valamint az oldat leeresztését a 6. jelű csonkon keresztül végeztük. Légtelenítésre, valamint az oldatminták vételére az 1. jelű csonkot használtuk.

IV.1. ábra: Az I.-II. kísérletsorozatban alkalmazott dinamikus cirkulációs modellrendszer

Részei: 1 – Légtelenítő csonk 2 – Golyóscsap (∅ 12,7) 3 – Szilikon cső (∅ 14/20)

4 – Áramlásmérő (vízóra típ. Kent KSSW) 5 – Vizsgált acélcsőminta (∅ 13/16) 6 – Feltöltő/leeresztő csonk

7 – Centrifugál szivattyú (Cole-Parmer típ. U-75225-15) 8 – Fordulatszám szabályozás (Pump Drive)

(Az átmérő adatok mm-ben értendők.)

IV.2. ábra: A cirkulációs rendszer áramlástechnikai kalibrálása vízórával

IV.3. ábra: Cirkulációs rendszer a vizsgált acélcső mintával (termosztáló burkolat nélkül)

IV.4. ábra: Cirkulációs rendszer felszerelt termosztáló burkolattal és “csőhéj” szigeteléssel

Az I.-II. kísérletsorozat eredményeit kiértékelve világossá vált, hogy a cirkulációs modellrendszer egyes elemeinek (acél keretanyag, illetve a centrifugál szivattyú) belső felületei jelentős adszorpciós kapacitásuk miatt módszeres hibát okoznak. Ennek kiküszöbölése érdekében a III. kísérletsorozatban a cirkulációs rendszert módosítottuk.

Miután a III. kísérlet során kizárólag az inaktív acél tokanyag szorpciós tulajdonságait vizsgáltuk, a modellrendszer acélkeretének jelentős szorpciós hatását úgy kívántuk csökkenteni (kiküszöbölni), hogy a keretet a III. kísérletben szilikongumi csövekre cseréltük.

A III. sorozatban alkalmazott cirkulációs modellrendszert a IV.5. ábrán szemléltetjük. Amint a IV.5. ábra mutatja, hogy a kísérletben a centrifugál szivattyút perisztaltikus pumpa, az acél mérőkeretet szilikongumicső helyettesítette.

IV.5. ábra: A III. kísérletben alkalmazott dinamikus cirkulációs modellrendszer

Részei: 1 – Légtelenítő/ mintavételi csonk 2 – Teflon csonk

3 – Szilikon cső (∅ 14/20) 4 – Vizsgált próbatest (∅ 13/16) 5 – Perisztaltikus pumpa

IV.2.1.2. Statikus modellrendszer Zr-Nb ötvözet felületek vizsgálatára

A IV. kísérletben urán felületi aktivitás-koncentrációjának becslése érdekében szorpciós vizsgálatokat végeztünk statikus modellrendszerben az inaktív fűtőelem burkolat (Zr+1%Nb), illetve kazettafal (Zr+2,5%Nb) felületein az üzemi oldattérfogat/felület arányt modellező körülmények között a PA Zrt. által biztosított oldatmintában, valamint annak három különböző mértékben bórsavval higított változatában. A statikus vizsgálatokhoz kialakított laboratóriumi modellrendszer vázlatát a IV.6. ábra mutatja.

IV.6. ábra: A IV. kísérlet statikus vizsgálataihoz kialakított laboratóriumi modellrendszer vázlata

Részei: 1 – fűtőelem burkolat anyag minta, 2 – fűtőelem kazettafal minta, 3 – platinaszál,

4 – mintatartó,

5 – vizsgált PM oldat, 6 – polipropilén tartály.

IV.2.2. Az adszorpciós vizsgálatok ismertetése

IV.2.2.1. A dinamikus adszorpciós-deszorpciós vizsgálatok ismertetése

IV.2.2.1.1. Az urán-akkumuláció vizsgálata modelloldatban

Az I. kísérletsorozatban urán-akkumuláció mértékének, idő- és pH- függésének (30 órás intervallumban) dinamikus vizsgálatát végeztük a PA Zrt. által biztosított 4 db - 2. blokki 2.

GF-ből kivágott - hőátadó acélcsőmintán a IV.2.1.1. fejezetben bemutatott dinamikus cirkulációs modellrendszerben 20 g·dm^-3 H3BO3 + 1ppm U modelloldatban. Az I.

kísérletsorozatban különböző adszorpciós periódusok (1, 3, 5, 10, 20, 30 óra) eltelte után 5 cm³ térfogatú reprezentatív oldatmintát vettünk elemzés céljából, majd a rendszerből eltávolított térfogatot 5 cm³ 1 ppm ²³⁸U-tartalmú 20 g·dm^-3 koncentrációjú - a kiindulásival megegyező pH-jú – bórsav-oldattal pótoltuk. Valamennyi oldatmintában, valamint a kezelt csőminták belső felületén az urán aktivitás-koncentrációját (kémiai koncentrációját) α-spektrometriás eljárással határoztuk meg. Kiegészítésképpen ICP-OES módszerrel mértük az U-szorpció során az oldatba bejutott fontosabb korróziós termékek (Fe, Cr, Ni) kémiai

koncentrációját. A kezelt acélcsőminta belső felületén megkötődött urán oxidációs állapotát (kémiai formáját) XPS módszerrel azonosítottuk. A technológiai vizsgálatokat követően a kezelt próbatestekből 1-1 db 2 cm hosszú csőszakaszt vágtunk le, majd a mintákat átmérőjük mentén megfeleztük. A kezelt belső felületeket alfa-spektrometriás és SEM-EDX módszerrel tanulmányoztuk. Az I. kísérletsorozat jellemző paramétereit a IV.2. táblázat tartalmazza.

IV.2. táblázat: Az urán-akkumuláció vizsgálatának jellemző adatai az I. kísérletsorozatban Technológiai paraméterek

Mérési

sorozat Oldat összetétele Oldat

pH Hőátadó acélcső Hőmérséklet

Az oldat

IV.2.2.1.2. Az urán- és transzurán (Pu, Am, Cm) akkumuláció vizsgálata erőművi oldatmintában

Az II-III. kísérletsorozatokban urán- és transzurán (Pu, Am, Cm) akkumuláció (30 órás szorpció és 20 órás deszorpció) dinamikus vizsgálatát végeztük a PA Zrt. által biztosított urán- és transzurán-szennyezőket tartalmazó, -radioaktív nuklidokkal szennyezett oldatmintából (2. blokki 1. aknavíz (20 g·dm^-3 bórsav, pH=4,2))- 2 db ausztenites korrózióálló acélcső-minta (1/5 GF-ből kivágott hőátadó cső, inaktív acél tokanyag) felületén a IV.2.1.1.

fejezetben bemutatott laboratóriumi cirkulációs modellrendszerben. Az II-III.

kísérletsorozatban vizsgált csőminták jellemző adatait a IV.1. táblázat tartalmazza. Az II-III.

kísérletsorozatban végrehajtott műveletek, a mintavétel és elvégzett vizsgálatok összefoglalása a IV.3. táblázatban található. Az 1. aknából vett radioaktív oldatminta összetétele és az egyes nuklidok aktivitás-koncentrációja a IV.4. táblázatban látható.

A II-III. kísérletsorozatban különböző adszorpciós periódusok (1, 5, 10, 20, 30 óra) eltelte után 10 cm³ térfogatú reprezentatív oldatmintát vettünk elemzés céljából, majd a

rendszerből eltávolított térfogatot azonos térfogatú, az 1. aknából származó eredeti oldattal pótoltuk. Valamennyi oldatmintában a fontosabb radionuklidok aktivitás-koncentrációját (kémiai koncentrációját) alfa- spektrometriás eljárással, illetve ICP-MS módszerrel határoztuk meg.

Kiegészítésképpen ICP-MS módszerrel mértük az adszorpció során az oldatba bejutott fontosabb korróziós termékek (Fe, Cr, Ni) kémiai koncentrációját. A technológiai vizsgálatokat követően a kezelt próbatestekből 2-2 db 2 cm hosszú csőszakaszt vágtunk le, majd a mintákat átmérőjük mentén megfeleztük. A kezelt belső felületeket alfa- spektrometriás, ICP-MS, illetve a II. kísérletsorozat esetén XPS módszerrel tanulmányoztuk.

Az adszorpciós vizsgálatokat 20 órás időtartamban deszorpciós mérések követték 20 g·dm^-3 koncentrációjú inaktív bórsavoldatban.

Az urán és transzurán (Pu, Am, Cm) elemek acélfelületi és oldatfázisbeli kémiai koncentrációjának, a különféle specieszek (részecske, kolloid és oldott (anionos és kationos)) oldatfázisbeli megoszlásának illetve aktivitás koncentrációjának meghatározására alkalmas kémiai elválasztási (ioncserés) eljárás, az ICP-MS és alfa- spektrometriás, valamint az elektrokémiai (voltammetriás) mérések és a felületvizsgálatok (SEM-EDX) gyakorlati megvalósítására vonatkozó egyéb információk a IV.3. fejezetben találhatók.

IV.3. táblázat: Az II-III. kísérletsorozatban végrehajtott műveletek és elvégzett vizsgálatok összefoglalása

Mérési sorozatszám: II. sorozat (1. blokki 5. GF minta) III. sorozat (inaktív acél tokanyag minta) Műveletek

Adszorpció: 1. akna oldat kémiai összetétele : 20 g·dm^-3 H₃BO₃ (pH ≅ 4,25 ),

(argonnal oxigén-mentesítve), Áramlási sebesség: 9,3 m·h^-1 (2,6 mm·s^-1), Hőmérséklet:

28- 30 ^oC 2 cm felezve, lapítva voltam. (PE) 2 cm felezve SEM-EDX (PE)

- 0 óra IIA0 IIIA0

folyadék – 1. akna oldata

50 cm³ α- spektrometria (BME NTI)

mérések, minták mint 1 óránál

- 10

mérések, minták mint 1 óránál

- 20

mérések, minták mint 1 óránál

IIA5 2 cm felezve, lapítva 1 db voltam. (PE) felezve 1 db SEM-EDX (PE)

IV.4. táblázat: Az II-III. kísérletsorozatban vizsgált oldatminta radiokémiai összetétele és az egyes nuklidok aktivitás-koncentrációja

A minta megnevezése: 95TG32S004

Aktivitás koncentrációk (Bq·dm^-3)

Izotóp Aktivitás Izotóp Aktivitás

134Cs 1760000 Összes alfa 61889

137Cs 4230000 ²³⁸Pu 24714

144Ce 2090000 ^239/240Pu 6510

154Eu 94000 ²⁴¹Am ²³⁸Pu izotóppal azonos

energiánál van

155Eu 70600 ²⁴²Cm 7651

Urán 760,9 µg·dm^{-3 244}Cm 20009

IV.2.2.2. A statikus szorpciós vizsgálatok ismertetése

A IV. kísérletsorozatban urán-akkumuláció mértékének, idő- és koncentrációfüggésének (60 napos szorpció és 30 napos deszorpció) tanulmányozását PA Zrt. által biztosított inaktív fűtőelem burkolat (Zr+1%Nb) és fűtőelem kazettafal (Zr+2,5%Nb) minták felületén 4 különböző bórsavas oldatban végeztük statikus modellrendszerben. A laboratóriumi vizsgálatokat a IV.6. ábrán bemutatott mérőrendszerben hajtottuk végre úgy, hogy a térfogat/felület arányt az üzemi körülményeknek megfelelően 5 cm³/cm² , illetve 50 cm³/cm² értékre állítottuk be. A IV. statikus szorpciós kísérletsorozatban elvégzett vizsgálatok számát és jellegét, illetve a fűtőelem burkolat és fűtőelem kazettafal próbatestek főbb jellemzőit az IV.5. táblázat tartalmazza.

IV.5. táblázat: A statikus szorpciós vizsgálatok jellemzőinek áttekintése

minta Mintaszám Fűtőelem burkolat (Zr+1%Nb)

inaktív fűtőelem burkolat (Zr+1%Nb) + inaktív fűtőelem kazettafal (Zr+2,5%Nb)

3+3 3,5 cm x 3 cm

lemez 1 cm x 1 cm lemez

A IV/1. kísérletsorozatban az urán- és transzurán akkumuláció időfüggését vizsgáltuk a PA Zrt. által biztosított inaktív fűtőelem burkolat anyag (Zr+1%Nb) és fűtőelem kazettafal (Zr+2,5%Nb) felületén az ún. elektród módszerrel. A IV/1. sorozatban végrehajtott műveletek, a mintavétel és elvégzett vizsgálatok áttekintése a IV.6. táblázatban található. A 2.

blokki 1. aknából a statikus mérésekhez biztosított radioaktív oldatminta összetétele és az egyes nuklidok aktivitás-koncentrációja a IV.7. táblázatban látható.

A IV/1. sorozatban a 60 napos adszorpciós kezelést megelőzően illetve azt követően a próbatesteket XPS, voltammetriás illetve SEM-EDX módszerrel vizsgáltunk. A gyakorlati megvalósítására vonatkozó egyéb információk a IV.3. fejezetben találhatók.

IV.6. táblázat: A IV/1. kísérletsorozatban végrehajtott műveletek és elvégzett vizsgálatok összefoglalása

A szorpció időfüggésének vizsgálata cirkónium felületén az ún. elektród módszerrel.

(1. akna oldat, c = 17 g·dm^-3 H3BO3).

Adszorpció időfüggésének vizsgálata során vett minták Adszorpciós

1 db fűtőelem burkolat anyag 1 db fűtőelem kazettafal

-XPS (MTA IKI) - voltammetria (PE)

- SEM-EDX (PE)

IV/1 A0

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

5 óra IV/1 A1

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal - α-spektrometria (AKTANAL Kft.)

- ICP-MS (MTA IKI)

IV/1 A1

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

10 óra IV/1 A2

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal - α-spektrometria (AKTANAL Kft.)

- ICP-MS (MTA IKI)

IV/1 A2

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

24 óra IV/1 A3

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal - α-spektrometria (AKTANAL Kft.)

- ICP-MS (MTA IKI)

IV/1 A3

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

120óra IV/1 A4

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal - α-spektrometria (AKTANAL Kft.)

- ICP-MS (MTA IKI)

IV/1 A4

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

1440 óra IV/1 A5

3 db fűtőelem burkolat anyag 3 db fűtőelem kazettafal - α-spektrometria (AKTANAL Kft.)

- ICP-MS (MTA IKI)

folyadék – 1. akna oldata 15 cm³ α- spektrometria

(AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

Amint az a IV.6. táblázatból kitűnik, a IV/1. kísérletsorozatban a különböző adszorpciós periódusok (5, 10, 24, 120, 1440 óra) eltelte után 16 cm³ térfogatú reprezentatív oldatmintát vettünk elemzés céljából. Valamennyi oldatmintában a fontosabb radionuklidok aktivitás-koncentrációját (kémiai koncentrációját) alfa-spektrometriás eljárással, illetve ICP-MS módszerrel határoztuk meg.

Kiegészítésképpen ICP-MS módszerrel mértük az adszorpció során az oldatba bejutott fontosabb korróziós termékek (Zr, Nb) és felületszennyezők (Fe) kémiai koncentrációját.

A 60 napos adszorpciós vizsgálatokat 30 napos időtartamban deszorpciós (IV/5.

kísérletsorozat) mérések követték 17 g·dm^-3 koncentrációjú inaktív bórsavoldatban. Az oldat és a próbatestek adatai a IV.5. illetve IV.8. táblázatokban megtalálhatók.

IV.7. táblázat: A IV/1.-IV/5. kísérletsorozatban vizsgált oldatminta radiokémiai összetétele és az egyes nuklidok aktivitás-koncentrációja

A minta megnevezése: 20TG02B001

Radionuklidok Aktivitáskoncentráció [Bq·dm^-3]

Aktivitáskoncentráció [Bq·9dm^-3]

54Mn 5,18x10¹ 4,66x10²

106Ru 1,59x10⁴ 1,43x10⁵

110mAg 8,67x10¹ 7,80x10²

125Sb 1,48x10³ 1,33x10⁴

137Cs 7,35x10¹ 6,62x10²

Össz.gamma 1,759x10⁴ 1,58x10⁵

238Pu 9,49x10¹ 8,54x10²

239Pu 5,87x10¹ 5,28x10²

244Cm 4,12x10⁰ 3,71x10¹

242Cm 1,13x10⁰ 1,07x10¹

Össz.alfa 2,13x10² 1,92x10³

*Urán *~1 ppm -

Fe 5 μg·dm^-3 -

pH 4,28 -

Bórsav 19,18 g·dm^-3 -

*Az urán oldatkoncentrációját uranil-nitrát adagolással állítottuk be.

A IV/2-IV/4. kísérletsorozatban az egyes radionuklidok telítési felületi aktivitás-koncentrációjának oldatkoncentrációtól való függését határoztuk meg szobahőmérsékleten 60 napos adszorpciós periódust követően (szorpciós izoterma felvétele). A szorpciós izoterma felvétele során a IV/1. sorozatban alkalmazott összetételű 2. blokki 1. aknaoldatot (IV.7.

táblázat) különböző mértékben hígítottuk 17 g^.dm^-3-es bórsavoldattal. A IV/2-IV/4.

sorozatban végrehajtott műveletek, a mintavétel és az elvégzett vizsgálatok összefoglalása a IV.8. táblázatban található.

IV.8. táblázat: A IV/2-IV/5. sorozatban végrehajtott műveletek és elvégzett vizsgálatok összefoglalása

A szorpció koncentrációfüggésének vizsgálata cirkónium felületén az ún.

elektród módszerrel.

Szorpció koncentrációfüggése illetve a deszorpciós vizsgálatok során vett minták Kód Cirkónium minta Kód Kiindulási oldatminta

IV/2

60 nap adszorpciós idő után vett minta

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal

- α-spektrometria (AKTANAL Kft.) - ICP-MS (MTA IKI)

50 cm³ α-spektrometria (AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

IV/3

60 nap adszorpciós idő után vett minta

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal

- α-spektrometria (AKTANAL Kft.) - ICP-MS (MTA IKI)

50 cm³ α-spektrometria (AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

IV/4

60 nap adszorpciós idő után vett minta

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal

- α-spektrometria (AKTANAL Kft.) - ICP-MS (MTA IKI)

50 cm³ α-spektrometria (AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

IV/5

30 nap deszorpciós idő után vett minta

2 db fűtőelem burkolat anyag 2 db fűtőelem kazettafal

- α-spektrometria (AKTANAL Kft.) - ICP-MS (MTA IKI)

IV/5

17 g·dm^-3 H3BO3 oldat.

50 cm³ α-spektrometria (AKTANAL Kft.) 1 cm³ ICP-MS (MTA IKI)

Az urán és transzurán elemek acélfelületi és oldatfázisbeli kémiai koncentrációjának, a különféle specieszek (részecske, kolloid és oldott (anionos és kationos)) oldatfázisbeli megoszlásának illetve aktivitás-koncentrációjának meghatározására alkalmas kémiai elválasztási (ioncserés) eljárás, az ICP-MS és alfa- spektrometriás, valamint az elektrokémiai (voltammetriás) mérések és a felületvizsgálatok (SEM-EDX, XPS) gyakorlati megvalósítására vonatkozó egyéb információk a IV.3. fejezetben találhatók.

IV.3. Vizsgálati és számítási-értékelési eljárások

IV.3.1. A szorpciós jellemzők meghatározására kidolgozott számítási modellek ismertetése

IV.3.1.1. A dinamikus szorpciós vizsgálatok számítási-értékelési eljárásainak ismertetése

A felületen megkötődött radionuklidok mennyiségének meghatározása a cirkuláltatott oldat aktivitásmérése alapján

A I-III. kísérletsorozatban a dinamikus méréseket Vösszes térfogatú cirkulációs laboratóriumi modellrendszerekben végeztük (IV.1.- IV.5. ábrák). Valamennyi kísérletsorozatban a különböző adszorpciós periódusok eltelte után Vminta térfogatú reprezentatív oldatmintát vettünk elemzés céljából, majd a rendszerből eltávolított térfogatot Vminta térfogatú kiindulási oldattal pótoltuk.

A kiértékelés folyamata az IV.1. séma valamint az IV.7. ábra alapján értelmezhető:

IV.1. séma: A mérési eredmények kiértékelése során alkalmazott paraméterek szemléltetése:

0 1 2 3 4 … Mintavétel száma / i

0 1 3 5 10 … Idő / h

A0 A1 A2 A3 A4 … Mért aktivitás koncentráció / Ai

AK,1 AK,2 AK,3 AK,4 … Korrigált aktivitás koncentráció / AK,i

Az i-edik mintavétel során az aknaoldat korrigált aktivitás koncentrációját (AK,i) a következő összefüggésekkel határoztuk meg:

[

³

]

A0 - az eredeti 1.aknaoldat aktivitás koncentrációja [Bq·dm^-3],

Vminta - az oldatminta térfogata [dm^-3],

Vösszes - a cirkuláltatott oldat összes térfogata [dm^-3],

A/ Bq.dm-3

0 5 10 20 30

Idő / h : mért értékek

: korrigált értékek

A₀=A_K,0

A₁

A₂

A₃

A₅ A₄

A_K,1

A_K,4 A_K,3

A_K,2

A_K,5 Γ₁

Γ₂

Γ / Bq.cm-2

0 5 10 20 30

Idő / h Γ₁

Γ₂ Γ₃

[

²

]

2

1

Γ Bq cm

Γ

Γ = + + K ⋅

⁻

IV.7. ábra: Az I-III kísérletsorozatok mérési eredményeinek kiértékelése során alkalmazott számítási eljárás szemléltetése

A radionuklidok megkötődésének meghatározása a vizsgált acélfelületen az oldatminták aktivitás koncentrációjának csökkenése alapján a következő összefüggésekkel történt:

1

ahol: Γi - az i-edik mintavételi periódus során megkötődött radionuklid aktivitása [Bq],

(10)

ahol: Γössz – az n mintavételt tartalmazó adszorpciós periódus során megkötődött radionuklid aktivitása [Bq],

Az adszorpció során a próbatest egységnyi felületén megkötődött radionuklidok aktivitásának és tömegének meghatározása:

[

²

]

F

próbatest bels ő felülete

A = Γ

^össz

Bq ⋅ cm

⁻ ₍₁₁₎

ahol: AF – az n mintavételt tartalmazó adszorpciós periódus során egységnyi felületen megkötődött radionuklid aktivitása [Bq^.cm^-2], (fajlagos felületi aktivitás)

Γ– az n mintavételt tartalmazó adszorpciós periódus során egységnyi felületen megkötődött radionuklid tömege [g^.cm^-2] (felületi többletkoncentráció),

IV.3.1.2. A statikus szorpciós vizsgálatok számítási-értékelési eljárásainak ismertetése

Amint azt a IV.2.2.2. fejezetben tárgyaltuk, a IV. kísérletben az adszorpciós-deszorpciós vizsgálatokra az „elektród” és „oldat” módszerek kombinációjával került sor.

A Zr-Nb ötvözetek felületén megkötődött radionuklidok aktivitását elsősorban a felületek közvetlen mérése (fajlagos felületi aktivitás) (AF) szorozva a teljes vizsgált felülettel) alapján határoztuk meg. A fajlagos felületi aktivitásból a (13) egyenlet segítségével számoltuk az egységnyi felületen megkötődött radionuklidok tömegét (felületi többletkoncentrációt) (Γ).

( ^⋅

⁻²

)

=

Γ

^A_k^F

g cm

₍₁₃₎

ahol: k: a „hordozómentes”-nek tekintett izotóp fajlagos aktivitása (Bq·g^-1)

Az egyes „hordozómentes”-nek tekintett izotópok fajlagos aktivitását a (14) összefüggést felhasználva számolhatjuk:

A vizsgált izotópok „k” értékeit a IV.9. táblázatban foglaltuk össze.

IV.9. táblázat: A vizsgált izotópok „k” értékei

238 U ²³⁴ U ²³⁹ Pu ²⁴⁰ Pu ²⁴⁴ Cm ²⁴¹ Am + ²³⁸ Pu k (Bq^.g^-1) 1,24·10⁴ 2,30·10⁸ 2,30·10⁹ 8,48·10⁹ 3,00·10¹² 1,27·10¹¹*

*Mivel a vizsgált mintákban az ²⁴¹Am és ²³⁸Pu izotópok aránya nem ismeretes, ezért a „k” értéket a ²⁴¹Am izotópra határoztuk meg.

A modellkisérlet körülményeit elemezve reálisan feltételezhető, hogy az oldatban lévő izotópok nemcsak a vizsgált Zr-Nb mintadarabokon kötődhetnek meg, hanem a modellrendszer egyéb felületein is. Ezen felületeken bekövetkező kompetitív szorpciós folyamatok mértékének becslésére az oldat aktivitáskoncentrációjának változásából is kiszámoltuk a minták fajlagos felületi aktivitását (ASZ).

(

^{0 − 1440}

)

^⋅

(

^{⋅ −2}

ahol: A0: az eredeti oldat aktivitáskoncentrációja (Bq·dm^-3)

A1440: az oldat aktivitáskoncentrációja 1440 óra szorpciós idő után (Bq·dm^-3) V: az oldat térfogata (dm³)

F: a fűtőelem burkolat anyag és a fűtőelem kazettafal együttes felülete (cm²).

A Γ és az AF értékeket egyaránt ábrázoltuk a szorpciós kísérlet időtartamának (0, 5, 10, 24, 120 és 1440 óra) függvényében, hogy megállapításokat tegyünk a szorpciós folyamat kinetikájára vonatkozóan. Annak érdekében, hogy meghatározzuk az egyes radionuklidok

telítési felületi aktivitás-koncentrációjának oldatkoncentrációtól való függését, szobahőmérsékleten különböző higítású oldatokban 1440 óra szorpciós periódust követően mért Γ, AF és ASZ értékeket ábrázoltuk az oldatkoncentráció függvényében. A vizsgálat csak akkor alkalmas szorpciós izoterma felvételére, ha a szorpciós folyamat során a vizsgált izotópok oldatkoncentrációja csekély mértékben csökken, azaz a „hajtóerő” állandó. Az oldatkoncentráció csökkenés becslése érdekében az oldatminták mért aktivitás-koncentrációjából izotóponként számoltuk a 60 napos szorpciós időtartamra jellemző százalékos kiürülést (Kiürülés%):

100

%

0 1440

0

− ⋅

= A

A

Kiürülés A

₍₁₆₎

IV.3.2. Alfa-spektrometriás elemzések

Az alfa-spektrometriás elemzéseket a Budapesti Műszaki Egyetem Nukleáris Technikai Intézetében, majd később az AKTANAL Kft. csillebérci telephelyén végezték.

Oldatminták:

Az oldatokat savanyítás nélkül dolgozták föl, hogy speciációs vizsgálatokat is tudjanak végezni. 2,0-10,0 cm³ oldatot 1 cm³-es adagokban acéltálkára pipettázták és szárazra párolták, majd közben lépésenként kb. 0,5 cm³ etanollal megismételve a bepárlást elpárologtatták a bórsav alkoholos komplexét. Ügyeltek arra, hogy se az oldat, se az etanol ne terüljön szét a tálkán. Így jó felbontású (60-80 keV) és kémiai veszteség nélküli alfa-forrásokat kaptak.

Próbatestek:

A próbatesteket közvetlenül vizsgálták alfa-spektrométerrel.

Mérőrendszer:

Si félvezető detektoros (Canberra PIPS) alfa -spektrométer (Canberra Alpha King spektrométer, Ortec Ethernim 2000 csatornás analizátor).

Mérési körülmények:

Mérési idő 10000-100000 sec, detektálási hatásfok 20-25 %, elméleti energia felbontás 20 keV az ²⁴¹Am 5,5 MeV alfa -vonalára. A mintákat mindig ugyanabban a geometriai elrendezésben mérték.

Aktivitáskoncentráció és aktivitás meghatározása:

Az aktivitást az alfa -sugárzás energiatartományában mért összintenzitásból az adott geometriára jellemző hatásfokkal számolták. A hatásfok kalibrálásához ismert aktivitású ²³⁹Pu oldatból azonos körülmények közt készítettek alfa -forrást.

Számolták az egyes izotópok aktivitását és megadták a mérés statisztikus szórását. Az oldatminták esetében ez a szórás a teljes mérési bizonytalanság fő összetevője, míg a próbatestek esetében a változó mintageometria (enyhén görbült felületek) és rétegvastagság miatt a tényleges bizonytalanság nagyobb.

Amennyiben az alfa -csúcsok felbontása lehetővé tette, az aktivitást külön-külön meghatározták az alábbi izotóppárokra illetve izotópokra: ²³⁹Pu+²⁴⁰Pu, ²⁴¹Am+²³⁸Pu, ²⁴⁴Cm, (²⁴²Cm a mintákban nem mutatható ki), ezekből számolható az össz alfa -aktivitás. Utóbbi a mérés bizonytalanságán belül megegyezik a felsorolt nuklidok aktivitásának összegével. (Az urán izotópjait az alfa -spektrumokban nem tudták megfelelő pontossággal kimutatni.)

Általában a próbatestek esetében további kémiai feldolgozás nélkül is egyedileg azonosíthatók az izotópok.

IV.3.3. Speciációs vizsgálatok

A speciációs elemzéseket a Budapesti Műszaki Egyetem Nukleáris Technikai Intézetében, majd később az AKTANAL Kft. csillebérci telephelyén végezték.

A II-IV. kísérletsorozat szorpciós mérései során nyert oldatmintákban vizsgálták, hogy

A II-IV. kísérletsorozat szorpciós mérései során nyert oldatmintákban vizsgálták, hogy

In document Radioaktív kontaminációs folyamatok vizsgálata szerkezeti anyag felületeken (Pldal 56-0)