5.3. Нейтронно – активационный метод обогащения.

Этот метод основан на облучении руды потоком тепловых нейтронов с последующим разделением кусков по интенсивности гамма-излучения.

Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от свойств ядер вещества и энергии нейтронов:

- химические элементы с атомным весом менее 25 составляют группу легких,

- элементы с атомным весом более 25, но менее 80 - средние элементы,

- тяжелые элементы имеют атомный вес более 80.

Нейтроны по своей энергии делятся на:

Наименование		Энергия, [эВ]
Медленные	Ультрахолодные	< 10-7
	Очень холодные	От 10-7 до 10-4
	Холодные	От 10-4 до 5*10-3
	Тепловые	От 5*10-3 до 0,5
	Резонансные	От 0,5 до 104
	Промежуточные	От 104 до 105
Быстрые		От 105 до 108
Высокоэнергичные		От 108 до 1010
Релятивистские		> 1010

Взаимодействие нейтронов с ядрами определяется их волновыми свойствами, играющими главную роль при малых энергиях.

В области этих значений энергий нейтронов длина его волны λ_п выражается формулой:

[нм] (5.3.1)

При столкновении нейтрона с ядром происходит либо его захват, либо отклонение от первоначального направления движения, т.е. рассеяние. При захвате нейтрона образуется составное ядро, которое за счет выделяющейся при захвате энергии связи нейтрона оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние может происходить путем распада с испусканием каких-либо частиц или гамма - квантов, либо тех и других. Наибольшее распространение при захвате нейтрона имеет ядерная реакция с испусканием гамма-излучения, т.е. (n, γ) - реакция, называемая радиационным захватом. Радиационный захват нейтрона протекает при любой энергии и на любом ядре. Из стабильных ядер, неспособных к захвату нейтрона, известно только ядро гелия (α - частица). Для нейтронов с энергией от 0,1 до 10 эВ сечение радиационного захвата является наибольшим (т.е. для медленных и особенно для тепловых нейтронов). Наблюдается также увеличение сечения (n, γ) - реакции при переходе от легких к тяжелым элементам. Уравнение реакции при радиационном захвате имеет вид:

(5.3.2)

Время жизни ядра, возникшего при радиационном захвате, составляет около 10^-14 сек. Это время соответствует испусканию гамма - кванта, после чего ядро обычно путем каскадного радиационного процесса возвращается в основное состояние.

Интенсивность и энергия гамма-излучения (n, γ) - реакции являются специфическими свойствами для каждого элемента, что и может быть использовано для радиометрического обогащения.

У большинства же ядер радиационный захват приводит к образованию нестабильных (радиоактивных изотопов). Это явление получило название искусственной радиоактивности, а способ ее образования - активацией. Образующиеся при этом радиоактивные изотопы отличаются по виду и энергии излучения, периоду полураспада и другим свойствам. Обычно эти изотопы излучают гамма - кванты, электроны или позитроны. Количество образовавшихся в веществе ядер радиоактивного изотопа Ν при облучении потоком нейтронов плотностью Ф_о можно определить по выражению:

, где (5.3.3)

σ - сечение активация элемента;

γ_u - доля изотопа в естественной смеси изотопов,

m - масса химического элемента в облучаемом объеме вещества;

λ - постоянная радиоактивного распада образующегося изотопа;

t - время с момента начала облучения;

А - атомная масса вещества.

Наведенная радиоактивность J_t (число распадов в секунду) при этом:

, (5.3.4)

Величина σ_γN_Аγ_um в формуле характеризует активационную способность элемента и называется макроскопическим сечением активации.

Таким образом, в выбранных условиях облучения и регистрации, интенсивность наведенной радиоактивности зависит от сечения активации и содержания интересующего химического элемента в облучаемой массе полезного ископаемого.

Метод радиометрического обогащения, основанный на использовании различий разделяемых компонентов полезных ископаемых в интенсивности наведенного излучения, называется нейтронно - активационным.

Нейтронно - активационный метод целесообразно применять в том случае, когда сечение взаимодействия не ниже 1 - 3 барна, что необходимо для надежной регистрации вторичных излучений, являющихся разделительным признаком. Этому условию удовлетворяют руды, содержащие хром, марганец, железо, никель, медь, серебро, золото, редкоземельные элементы и многие другие.

При облучении минерального сырья при определенных условиях в ядрах элементов образуются радиоактивные изотопы, которые излучают гамма - кванты, бета-частицы, запаздывающие нейтроны и т.п.

После прекращения облучения наведенная радиоактивность уменьшается по закону радиоактивного распада. По интенсивности наведенной активности можно не только выявить присутствие в куске руды того или иного химического элемента, но и оценить его содержание. Благоприятными факторами для концентрации минералов нейтронно - активационным методом являются большие эффективные сечения ядерных реакций для химических элементов, входящих в состав минерала, малый период полураспада образующихся изотопов и возникновение в результате ядерной реакции проникающего излучения.

В качестве источников первичного нейтронного излучения могут быть использованы ампульные источники нейтронов на основе (α, n) реакции, генераторы нейтронов и ядерные реакторы. Эти источники испускают в основном быстрые и промежуточные нейтроны, тогда как процесс активации наиболее эффективен при воздействии тепловых и медленных нейтронов. В связи с этим первичный поток нейтронов (быстрых и/или промежуточных) пропускают через замедлители (вещества, содержащие водород – парафин или воду). Обычно при нейтронно - активационном методе используются потоки тепловых (замедленных) нейтронов мощностью 10⁶ - 10⁹ нейтр./сек*см².

Основной вклад в общую радиоактивность - до 90% и более - обычно создают 1 - 3 изотопа. Однако, используя различные приемы («остывание» кусков руды до распада мешающих изотопов, спектрометрирование, выбор типа излучения для регистрации и т.п.) разделение кусков руды во многих случаях можно осуществить по излучению требуемого компонента или по излучению изотопа, корреляционно связанного с основным компонентом. Принципиальная оценка возможностей нейтронной активации в применении к обогащению руд дана в работах английских исследователей в 1952 году. Разработка теоретических и экспериментальных вопросов возможности применения этих методов в СССР и других странах проводится для обогащения флюоритовых руд, т.е. для отделения кусков, содержащих флюорит. Первичный поток нейтронов пропускают через замедлители. Поток тепловых нейтронов мощностью 10⁶ - 10⁹ нейтр./сек*см² обычно используется при облучении материала.

Интенсивность наведенной радиоактивности определяется уравнением

, где (5.3.5)

где Ф - плотность облучающего потока нейтронов, нейтр./сек*см²

(В 1951 г. Годэн определил эту величину потока нейтронов, при котором наведенная активность становится достаточной для порционной сепарации при времени облучения до 1 с);

σ - эффективное сечение активации, т.е. эффективное сечение взаимодействия излучения с веществом (единица измерений - барн);

λ - постоянная полураспада радиоактивного изотопа (образуются изотопы с малым периодом полураспада);

n - количество атомов данного химического элемента в 1 см³;

t - время облучения, сек (время облучения материала не превышает 1сек).

Этот метод, основанный на измерении интенсивности излучения радиоактивных изотопов, образующихся при облучении руды потоком нейтронов, используется в промышленности России.

В качестве источников нейтронов используются нейтронные размножители, генераторы нейтронов, ускорители электронов. Эти источники испускают быстрые и промежуточные нейтроны, тогда как процесс активации наиболее эффективен при действии тепловых нейтронов и медленных.

При плотности потока 10⁶ нейтр./сек*см² наведенная активность низка для большинства элементов, за исключением индия, диспрозия, радия, серебра, скандия, иридия. При увеличении облучающего потока до 10⁷ - 10⁹ нейтр./сек*см² становится возможным осуществить сепарацию руд, содержащих алюминей, медь, марганец, титан, железо. Поток нейтронов с плотностью 10⁶ нейтр./сек*см² может быть обеспечен ускорителем заряженных частиц в сочетании с бериллиевой мишенью или атомным реактором, однако они имеют высокую стоимость и сложны в эксплуатации.

В СССР была создана установка «СО-2» для обогащения мелких классов -30 +10 мм для руд и углей нейтронно - активационным способом. Установка создана на основе нейтронного размножителя СО-2М, где возбуждение и поддерживание деления ядер урана осуществляется при введении внешнего источника нейтронов. Плотность потока тепловых нейтронов в экспериментальных каналах составляет 1*10⁸нейтр./сек*см².

Нейтронно - активационный метод применяется на нескольких отечественных месторождениях для экспресс-анализа флюорита в вагонетках с 1968 г. Под влиянием воздействия потока нейтронов атомы фтора превращаются в радиоактивный атом азота. В качестве источника быстрых нейтронов служит ампульный полониево - бериллиевый источник активностью 10⁷ нейтр./сек*см². Детектором гамма - излучения являются 17 газоразрядных счетчиков СИ-22Г, расположенных в два слоя в кассете размером 300x190x80 мм.

Облучение и измерение производится с одной боковой стенки кузова вагонетки объемом 1 м³. Время активации и измерения составляет по 20 сек, а время выдержки 3,5 сек. На одном месторождении этим методом удается отделить 10 - 20% пустой породы и забалансовой руды. Среднеквадратичная ошибка составляет ±3,6%.

Этим методом можно в вагонетках опробовать апатитовые руды по фтору, входящему в состав апатита. Счетчики - сцинтилляционные: режим активации - 25 сек, выдержка - 5 сек, измерение - 20 сек, диаметр кусков не более 250 мм, толщина около 50 мм.

Количество отсортированной на контрольных станциях пустой порода составляет:

- до 25% - в вагонетках,

- в ковшах экскаваторов-до 18%,

- в автомашинах - до 20%.

Уменьшение потерь металлов за счет сортировки достигает 5 - 6%.