СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ СЕРЫ В УРАНОВЫХ МАТЕРИАЛАХ
METHOD OF DETERMINING MASS FRACTION OF SULPHUR IN URANIUM MATERIALS

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения содержания элементов и их изотопов в урановых материалах.
Способ может быть использован в научно-исследовательских и производственных лабораториях предприятий атомной промышленности, занимающихся производством и переработкой материалов, содержащих уран.
3
Известные прямые способы определения примесей в урановых материалах с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП), такие как «Метод определения технеция-99 в закиси-окиси и гексафториде урана» [1], «Метод определения бора в гексафториде урана» [2], «Метод определения тория, диспрозия, гадолиния европия и самария в гексафториде урана» [3], включают в себя следующие операции: приготовление раствора пробы с массовой долей урана в диапазоне от 0,2 до 0,4 г/см, приготовление раствора холостой пробы и растворов для градуировки с массовой долей урана, равной его массовой доле в растворе анализируемой пробы, измерение интенсивности аналитического сигнала определяемого изотопа с помощью масс-спектрометра с ИСП в растворах для градуировки и растворах холостой и анализируемой проб, построение градуировочного графика в координатах «I - С», где I - интенсивность аналитического сигнала, С - массовая доля определяемого изотопа.
Недостатком этих способов является то, что, во-первых, сера не входит в число определяемых элементов;
32
во-вторых, на приборах низкого и среднего разрешения не удается проводить измерения по наиболее распространенному изотопу S из-за наложения целого ряда мешающих изотопов, а измерения по другим изотопам не обеспечивают необходимую чувствительность метода для определения серы на уровне менее 100 мкг/г урана, обусловленном требованиями потребителей урановых материалов;
в-третьих, из-за большого влияния урана на интенсивность аналитических сигналов определяемых примесей необходимо вводить уран в растворы для градуировки, что весьма трудоемко и требует расхода большого количества чистого урана.
Известны способы определения серы в различных объектах (урановые материалы не входят в их число) при помощи масс-спектрометров высокого разрешения. Например, способ определения неметаллов, в том числе и серы, при помощи магнито-секторного масс-спектрометра высокого разрешения с ИСП в воде, перекиси водорода, аммиаке и других высокочистых веществах [4].
Недостатком этого способа является необходимость приготовления растворов для градуировки, имеющих состав, аналогичный составу анализируемых проб.
Задачей изобретения является создание способа определения серы в урановых материалах на уровне менее 100 мкг/г урана, не требующего введения урана в растворы для градуировки.
3
3
Поставленная задача была решена тем, что в известных способах, включающих перевод анализируемой пробы уранового материала в раствор с содержанием урана от 0,2 до 0,4 г/см, приготовление растворов для градуировки и растворов холостой пробы с содержанием урана от 0,2 до 0,4 г/см, измерение интенсивности аналитических сигналов на масс-спектрометре с ИСП высокого разрешения, построение градуировочного графика в координатах «интенсивность сигнала серы - массовая доля серы», градуировочные растворы готовят на дистиллированной воде, градуировочный график строят в координатах «интенсивность сигнала серы/ интенсивность сигнала серы в холостой пробе - массовая доля серы».
3
В результате становится возможным снизить предел обнаружения серы до 10 мкг/г урана при содержании урана в растворе 1 г/дм, сократить время и трудоемкость процесса приготовления растворов для градуировки, существенно уменьшить расход чистого урана.
3
Предложенное решение основано на установленной закономерности, суть которой заключается в том, что присутствие урана в растворе в одинаковой степени влияет на изменение интенсивности аналитических сигналов серы различных содержаний, в том числе и фоновых. То есть отношение интенсивности сигнала серы в пробе к интенсивности фонового сигнала серы в холостой пробе, содержащей такое же количество чистого урана, остается постоянным для массовых долей урана в растворе в диапазоне от 0 до 1 г/дм.
3
3
3
Для подтверждения вышеизложенного был проведен следующий эксперимент. Приготовили две серии растворов: серия №1 представляла собой растворы с содержанием урана 0; 0,01; 0,1; 0,5; 1,0 г/дм без добавок серы - холостые растворы; серия №2 - растворы с разным содержанием урана (0; 0,01; 0,1; 0,5; 1,0 г/дм) и известной добавкой серы 100 мкг/дм- модельные растворы. Все растворы были проанализированы на масс-спектрометре с ИСП ELEMENT-2 в режиме среднего разрешения (m/Δm≥4000). Результаты проведенных измерений представлены в таблице 1.
Таблица 1Результаты измерений холостых и модельных растворов
Массовая концентрация урана в растворе, г/л
Среднее значение интенсивности сигналов изотопа <sup>32</sup>S, имп/с
I<sub>м.пр</sub>/I<sub>xp</sub>
Серия №1 (холостые растворы), I<sub>xp</sub>
Серия №2 (модельные растворы) с массовой долей серы 100 мкг/г урана, I<sub>м.пр</sub>
0
71674
561248
7,8
0,01
71516
534781
7,5
0,1
61844
489749
7,9
0,5
13349
109498
8,2
1,0
3785
29062
7,7
3
3
Из таблицы 1 видно, что отношение интенсивности сигнала серы в модельных растворах к интенсивности сигнала серы в холостых растворах, содержащих такое же количество чистого урана, остается постоянным для массовых долей урана в диапазоне от 0 до 1 г/дм и составляет примерно 7,8 для содержания серы в модельных растворах на уровне 100 мкг/дм.
Для наглядности результаты из таблицы 1 представлены графически на фиг.1 и 2.
3
32
32
Из чертежей видно, что увеличение содержания урана от 0 до 1 г/дм в растворах приводит к значительному (до 20 раз) подавлению аналитического сигнала изотопа S как в холостых растворах серии №1 (см. фиг.1), так и в модельных растворах серии №2 (см. фиг.2). Причем графики зависимости интенсивности аналитического сигнала изотопа S от концентрации урана в обоих случаях имеют одинаковый вид.
32
32
3
Аналогичные опыты при других содержаниях серы в модельных растворах подтвердили найденную закономерность: отношение величины аналитического сигнала изотопа серы S в пробе урана к величине аналитического сигнала изотопа серы S в холостой пробе, содержащей такое же количество чистого урана, не зависит от величины массовой доли урана в диапазоне от 0 до 1 г/дми определяется только содержанием серы в пробе.
32
32
хол
Из этого следует, что отношение интенсивности изотопа S в растворе пробы (I) к интенсивности изотопа S в холостом растворе (I), содержащем такую же массовую долю урана, что и раствор анализируемой пробы, может быть выбрано в качестве параметра при построении градуировочного графика в координатах
хол
серы
I/I-С.
В этом случае не нужно вводить уран в градуировочные растворы для уравнивания его массовой доли с массовой долей в растворе анализируемой пробы.
3
3
3
3
В качестве примера взяли раствор контрольной пробы гексафторида урана с содержанием урана 1 г/дм, приготовили холостую пробу и растворы для градуировки №1 и №2 с содержанием урана 1 г/дм и массовой долей серы 50 и 100 мкг/дм соответственно. Приготовили на дистиллированной воде, без добавления урана, раствор холостой пробы и растворы для градуировки №1 и №2 с массовой долей серы 50 и 100 мкг/дм соответственно. Измерили величину аналитических сигналов серы и построили градуировочные графики: 1 -традиционным способом, в координатах «интенсивность сигнала серы - массовая доля серы, и 2 - предлагаемым способом, в координатах «интенсивность сигнала серы/ интенсивность сигнала серы в холостой пробе - массовая доля серы». Результаты измерений приведены в таблице 2.
Таблица 2Результаты измерений
Раствор
Массовая доля серы,мкг/дм<sup>3</sup>
Интенсивность I, имп/с
I/I<sub>хол</sub>
С ураном
Холостая проба
3561
Контрольная проба
30
9012
2,5
Раствор для градуировки №1
50
15021
Раствор для градуировки №2
100
29544
Без урана
Холостая проба
65258
Раствор для градуировки №1
50
280612
4,3
Раствор для градуировки №2
100
550129
8,4
3
3
Вид градуировочных графиков представлен на фиг.3 и 4. Из графиков видно, что массовая доля серы в контрольной пробе, найденная традиционным способом, равна 30 мкг/дм, а предлагаемым способом 28,7 мкг/дм.
Источники информации
1. Отраслевая инструкция ОИ 001.575-2004 «Технеций-99. Методика масс-спектрометрического с ИСП определения в закиси-окиси и гексафториде урана», рс ФР 31.2005.00187.
2. Отраслевая инструкция ОИ 001.576-2004 «Бор. Методика масс-спектрометрического с ИСП определения в гексафториде урана», рс ФР 31.2005.00188.
3. Отраслевая инструкция ОИ 001.578-2004 «Урана гексафторид. Методика масс-спектрометрического с ИСП определения тория, диспрозия, гадолиния, европия и самария», рс ФР 31.2005.00190.
4. "Application of inductively coupled plasma sector mass spectrometry for the fast and sensitive determination and isotope ratio measurement of non-metals in high-purity process chemicals", Journal of Analytical Atomic Spectrometry, June 1998, Vol.13 (573-578).