Uránizotópok és izotóparány alfa-spektrometriás mérésének fejlesztése környezeti és nukleáris

129 Pages·2008·1.01 MB·Hungarian

by  Dombovári Péter

Uránizotópok és izotóparány alfa-spektrometriás mérésének
fejlesztése környezeti és nukleáris ipari minták vizsgálatán
keresztül

Doktori (PhD) értekezés

Pannon Egyetem
Kémia Doktori Iskola

Készítette:
Dombovári Péter
okleveles környezetmérnök

Témavezető:
Dr. Somlai János
egyetemi docens

Pannon Egyetem Radiokémiai és Radioökológiai Intézet
Veszprém
2008
URÁNIZOTÓPOK ÉS IZOTÓPARÁNY ALFA SPEKTROMETRIÁS
MÉRÉSÉNEK FEJLESZTÉSE KÖRNYEZETI ÉS NUKLEÁRIS IPARI
MINTÁK VIZSGÁLATÁN KERESZTÜL

Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében

Írta: Dombovári Péter

Készült a Pannon Egyetem Kémia Doktori Iskolája keretében

Témavezető: Dr. Somlai János
Elfogadásra javaslom (igen / nem) ...................................
(aláírás)

A jelölt a doktori szigorlaton …......... % -ot ért el,
Veszprém, ...............................
.....................................
A Szigorlati bizottság elnöke

Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:

Bíráló neve: …........................ …................. igen /nem
……………………….
(aláírás)

Bíráló neve: …........................ …................. igen /nem
……………………….
(aláírás)

***Bíráló neve: …........................ …................. igen /nem
……………………….
(aláírás)

A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …..........% - ot ért el

Veszprém,………………………….
....................................
a Bíráló Bizottság elnöke

A doktori (PhD) oklevél minősítése….................................
…………………………
Az EDT elnöke
2
Tartalomjegyzék
az „Uránizotópok és izotóparány alfa-spektrometriás mérésének fejlesztése környezeti
és nukleáris ipari minták vizsgálatán keresztül” munkacímű PhD dolgozathoz
KIVONAT 5
ABSTRACT 6
RÉSUMÉ 7
BEVEZETÉS 8
CÉLKITŰZÉSEK, FELADATOK 11
1. IRODALMI RÉSZ 12
1.1 AZ URÁN GEOKÉMIAI TULAJDONSÁGAI 12
1.2 AZ URÁN KÉMIAI VISELKEDÉSE VIZES OLDATOKBAN 15
1.3 A NORM/TENORM ANYAGOK JELENTŐSÉGE 19
1.3.1 TENORM A KÖRNYEZETÜNKBEN 19
1.3.2 SZABÁLYOZÁS 23
1.4 AZ URÁN MÉRÉSI MÓDSZEREI 25
1.4.1 NEM NUKLEÁRIS MÓDSZEREK 25
1.4.2 NUKLEÁRIS MÓDSZEREK 26
1.5 FORRÁSKÉSZÍTÉS 33
1.5.1 MIKROCSAPADÉK SZŰRÉSE 34
1.5.2 ELEKTRODEPOZÍCIÓ 34
2. KÍSÉRLETI RÉSZ 40
2.1 MÓDSZEREK 40
2.1.1 MÓDSZERFEJLESZTÉS 40
2.1.2 IPARI MINTÁK 41
2.1.3 KÖRNYEZETI MINTÁK 58
2.2 EREDMÉNYEK 70
2.2.1 MÓDSZERFEJLESZTÉS 70
2.2.2 IPARI MINTÁK 78
2.2.3 KÖRNYEZETI MINTÁK 90
3. ÖSSZEFOGLALÁS 98
3.1 MÓDSZERFEJLESZTÉS 98
3.2 IPARI MINTÁK 98
3.3 KÖRNYEZETI MINTÁK 104
4. FELHASZNÁLT IRODALOM 105
5. TÉZISEK 115
5.1. MÓDSZERFEJLESZTÉS 115
5.2. IPARI MINTÁK 115
5.3. KÖRNYEZETI MINTÁK 116
6. THESES 117
6.1. DEVELOPMENT OF METHOD 117
6.2. INDUSTRIAL SAMPLES 117
6.3. ENVIRONMENTAL SAMPLES 118
7. PUBLIKÁCIÓS LISTA 119
FÜGGELÉK 126
4
Kivonat

Uránizotópok és izotóparány alfa-spektrometriás mérésének fejlesztése környezeti
és nukleáris ipari minták vizsgálatán keresztül

A szerző doktori munkájában környezeti és ipari minták vizsgálatát végezte el. Céljai
között szerepelt egy olyan alfa spektrometriás módszer kidolgozása, amely alkalmas
ultra alacsony koncentrációjú minták urántartalmának vizsgálatára.
A környezeti mintákat a jelölt magyarországi és külföldi bányaterületeken vette, és
vizsgálta urán aktivitás koncentrációikat. Az ipari minták a Paksi Atomerőműből
származtak, a vizsgálatok oldatok urántartalmának, az uránakkumuláció mértékének
vizsgálata mellett kiterjedtek az ausztenites acélfelületek belső felületének vizsgálatára
is.
Az eredmények alapján látszik, hogy a felhagyott uránbánya területéről származó
minták urántartalma magas, az izotóparányok pedig eltolódtak, ami az intenzív
bányatevékenységnek köszönhető. Az ipari minták tanulmányozása lehetővé tette a
hőátadó csőminták belsejében áramló oldat uránakkumulációs folyamatainak leírását,
valamint a korroziós viszonyokat alapvetően befolyásoló tényezők azonosítását.
A dolgozatban ismertetett eredmények alapján a jelölt új tudományos eredményeit
ismerteti, melyek alapján megfogalmazza téziseit.
Abstract

Improvement of alpha-spectrometry measurement of uranium isotopes and
isotope-ratio through the inspection of environmental and nuclear industrial
samples

In his thesis the author has carried out the inspection of environmental and industrial
samples. His objectives included the elaboration of an alpha-spectrometry method,
which is capable of inspecting the uranium-content of samples with ultra-low
concentration.
The nominee has taken the environmental samples from Hungarian and foreign mine
fields, and he has inspected their uranium activity concentration values. Industrial
samples were taken from the Nuclear Power Plant in Paks, and the inspections, besides
the uranium-content of solutions and the inspection of the level of uranium-
accumulation also covered the examination of the inner austenitic steel surfaces.
Based on the results it is apparent that the uranium-content of samples taken from the
territory of the closed uranium mine is high, isotope-ratios shifted, which is due to the
intensive mining activities. Studying the industrial samples made it possible to describe
the uranium accumulation processes of the solution flowing within the heat-exchanging
pipe samples, and to identify factors basically influencing corrosion conditions.
Based on the results described in the thesis work, the nominee introduces his scientific
achievements and draws up his theses.
6
Résumé

Développement de mesure des isotopes et de proportion isotopique d'uranium en
échantillons environnementaux et industriels par spectroscopique alpha.

Dans ce travail l'auteur a analysé différents échantillons venant de l'industrie et de
l'environnement dans le but d'élaborer une méthode spectroscopique alpha capable de
détecter l'uranium en extrêmement faible concentration. Le prélèvement des
échantillons environnementaux a été effectué aux alentours des mines situées en
Hongrie et à l'étranger, tandis que les échantillons industriels sont d'origines de Station
Nucléaire de Paks.
En se basant sur ces études, le candidat définie ses nouveaux résultats scientifiques et
rédige ses thèses.
7
Bevezetés

A környezetünkbe kerülő radioaktív anyagok jelentős forrása (a nukleáris ipar mellett,
természetesen) maga a természet [25]. A földfelszín alatt és fölött jelentős radioaktív
anyag készletek találhatók. A környezetünkben lezajló természetes folyamatok (elég
csupán az Oklói Ősreaktorra gondolnunk) eredménye is lehet az, hogy ezek a radioaktív
anyagok kapcsolatba kerülnek az emberi élőhelyekkel.

A természetes folyamatok mellet persze az ipari folyamatok is hozzájárulhatnak az
ásványokban található radioaktív anyagok feldúsulásához. Ezen anyagok egy részét
feldolgozzák, majd hasznosítják, míg a másik részük hulladékként terheli
környezetünket [26].

A bennünket körülvevő természetes előfordulású anyagok radionuklid koncentrációja
általában elég kicsi, ezek a Természetes Eredetű Radioaktív Anyagok (angol
mozaikszóval NORM, melynek feloldása: Naturally Occuring Radiactive Materials). A
NORM anyagok feldolgozása azonban vezethet radioaktív anyag (hulladék)
keletkezéséhez, amennyiben a feldolgozás során valamelyik termékben feldúsul a
radionuklid(ok) koncentrációja. Ezek a feldolgozási Technológia során Megnövelt
koncentrációjú Természetes Radioaktív Anyagok (TENORM: Technologically
Enhanced Naturally Occuring Radiactive Materials) a jelentőségüknél kisebb (bár
lassan növekvő) figyelmet kapnak. Jó példák: a víztisztítókban felgyülemlett iszap,
vagy az olaj és gázkitermelésnél használt berendezésekben felhalmozódó lerakódások,
valamint, a műtrágyagyártás melléktermékei, és a szénsalak melyek jelentős
mennyiségben tartalmazhatnak radioaktív elemeket.

Különösen aktuálissá teszi az uránnal kapcsolatos méréseket az, hogy a világ jelenlegi
urántermelésének már mintegy 20 %-át az egyre népszerűbb helyszíni kioldásos (In Situ
Leaching – ISL) módszerrel hozzák a felszínre. Az eljárás során a kőzetrétegbe
fecskendezett oldószer (kénsavas, bikarbonátos-karbonátos) oldja ki az uránt a hordozó
8
rétegből. Az így mobilizált urániumot az oldat szivattyúzásával hozzák felszínre. A
további feldolgozás már itt történik, de a hagyományos bányászati technikákkal
szemben itt nem meddőhányók és zagytározók, hanem a műveletek során keletkező
folyékony hulladék jelenti a problémát. Az oldattal folyó műveletek a folyadék alacsony
pH-ja, magas oldott fém ion koncentrációja és radionuklid tartalma miatt komplex
környezeti rizikót hordoznak magukban. A hulladékban található 234U izotóp (négy
nagyságrenddel nagyobb) fajlagos aktivitásának köszönhetően nagyobb sugár-
egészségügyi problémát jelent, mint a 238U. A bányászati tevékenység során érintett
területek vizeinek állapotát a bányászat után helyre kell állítani (erre manapság több
technika létezik: szűrés, csapadékképzés, hígítás, stb.) [110]. Az általam használt mérési
módszerrel és izotóparány vizsgálattal nyomon követhetők akár az ISL technológia
uránnal kapcsolatos radiológiai hatásai, a vízkészletek állapota, és az izotópvándorlás
irányai.

A feldolgozás után visszamaradó melléktermékek, hulladékok a kiindulási anyaghoz
képest általában eltérő fizikai-kémiai tulajdonságokkal bírnak, így válik lehetségessé
ebből az esetenként kevésbé stabil mátrixból a radionuklidok kioldódása. A 238U alfa
bomlása során zajlik le az a visszalökődési folyamat, melynek eredményeként a
keletkező 234Th képes kiszakadnia hordozó mátrix rácsszerkezetéből (akár 500 Ǻ
távolságra), így az ebből keletkező termékek a keletkezés helyétől már képesek a
pórusokat kitöltő vízzel eltávolodni [110]. Ezek a víz segítségével kioldódott összetevők
a környezetet károsíthatják. Ez igaz a NORM anyagok esetében is, a kioldódás a pH és
egyéb körülmények függvénye.

Az uránizotópok mérésével nyomon követhetők a hulladékban végbemenő folyamatok,
és e folyamatok pontos megértése segít abban, hogy a későbbiekben a helyes döntést
hozhassuk meg a (szűkebb és tágabb) környezet védelme érdekében. Az urán kémiai és
geokémiai hátterének ismerete segít elérni a célt: olyan mérési módszert kidolgozni,
mellyel az uránt izotópspecifikusan, nagyon kis koncentrációkban is megbízhatóan lehet
mérni, akár ipari eredetű, akár környezeti mintáról van szó.

Munkám során olyan ipari eredetű mintákat vizsgáltam, amelyek a Paksi atomerőműből
származtak, és a 2003-as üzemzavar során szennyeződtek uránnal. A vizsgálatok,
9
melyek segítettek az urán kémiai viselkedésének tanulmányozásában és a vizsgálati
módszer fejlesztésében az alábbiakra terjedtek ki:

- Az urán-akkumuláció mértékének és időfüggésének tanulmányozása 4 db - 2. blokki
2. gőzfejlesztőből (GF) kivágott - hőátadócső belső felületén
- Az összehasonlító és kiegészítő szorpciós vizsgálatok 1 db hőátadócső belső
felületén az urán-szennyezőket tartalmazó, PA ZRt által biztosított oldatmintából

A környezeti minták vizsgálatát az indokolta, hogy Magyarország és Románia területén
is találhatók olyan (felhagyott, vagy még aktív) bányaterületek, amelyek urántartalmú
szennyezőket juttatnak környezetükbe. Az urán az egyik legjelentősebb természetben
előforduló és az ipari alkalmazás eredményeként radioaktív hulladékként is megjelenő
alfasugárzó. A helyreállító, környezetrehabilitáló tevékenység nagy jelentőséggel bír a
lakosság egészségének megőrzése szempontjából. A Nyugati-Kárpátok déli részén
fekvő Baita-Plai-i uránbánya melletti bányászfalu belterületén(!) elhelyezkedő, takarás
nélküli uránzagyot tartalmazó zagytározó például súlyos sugárvédelmi problémát jelent
az ott élők számára. A romániai területeken egy román-magyar technológiai
együttműködési pályázat során, a kolozsvári Babes Bolyai Egyetem szakembereivel,
engedéllyel végeztünk mintagyűjtést.
10