5.2. Фотонейтронный (гамма – нейтронный) метод обогащения.
Данный метод основан на измерении интенсивности искусственно наведенного излучения.
В этом методе 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 (γ, n) могут быть применены как изотопные источники гамма-излучения, так и ускорители электронов. Применение реакции (γ, n) для определения содержания бериллия в рудах предложено в 1937 году советским инженером Горшковым, а впоследствии Дашером и Пеннелом (Англия). В конце 40-х годов предложен ядернофизический метод обогащения бериллиевых руд, использующих эту реакцию. Некоторые положения этого метода были развиты Годеном (США) в применении к бериллиевым рудам.
В СССР была разработана технология и создана соответствующая аппаратура для фотонейтронного обогащения бериллиевых руд на основе использования в качестве источника гамма-излучения изотопа 124Sb.
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:
1. Фотоядерная реакция,
2. Фотоэффект,
3. Эффект Комптона,
4. 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 Еγ над энергией отделения нейтронов Еn, т.е. Еγ > Еn. 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:
(5.2.1)
где no - число ядер в единице объема химически чистого расщепляемого вещества.
Каждый химический элемент характеризуется определенным порогом (γ, n) реакции и ее эффективным сечением σ ф.я.. 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:
(5.2.2)
где σ (Eγ) - сечение для гамма-излучений с энергией Eγ ;
α - коэффициент, изменяющийся от 1,5 до 3 и зависящий от обменных свойств ядерных сил.
Сечение (γ, n) - реакции с возрастанием энергии гамма - квантов сначала возрастает до некоторого максимального значения (область резонанса), а затем опять уменьшается.
Таким образом, мощность потока нейтронов зависит от активности источника и содержания определяемого элемента (бериллия, например) 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 (5.2.3)
Энергетический порог этой реакции составляет 1,66 МэВ, а следующий элемент, дающий реакцию (γ, n) - дейтерий - 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, n) на бериллий мало (δ=10-3 барн, 1 барн = 10-28 м2). В связи с этим замер излучения необходимо вести в течение 1 - 3 секунд. Это требует применения весьма активного источника гамма-лучей и совершенствования конструкции сепаратора.
В промышленных условиях в СССР сортировка бериллиевых руд производилась с 1966 года. Этот метод при использовании ускорителей электронов применим также для обогащения руд лития, ртути, олова, вольфрама, урана, железа, редкоземельных и других элементов.
Поток нейтронов, образующихся в результате ядерной реакции, должен быть перед регистрацией их счетчиком пропущен через парафин или воду (т.е. достаточно плотные водородосодержащие вещества) для замедления их скорости, т.к. необходимо, чтобы к счетчику подводился поток тепловых нейтронов (см. раздел 5.3).
В настоящее время разработан также комплекс методов и аппаратура, позволяющая проводить первичную сортировку руд в емкостях (автомашинах, вагонетках, ящиках) и выполнять экспресс-анализы.
Изучена возможность использования ускорителей электронов для обогащения бериллиевых руд фотонейтронным методом. Лабораторные исследования показали, что при этом можно увеличить чувствительность фотонейтронного метода на 1 - 2 порядка по сравнению с вариантом, использующим изотопные источники излучения.
Сортировка бериллиевых руд в емкостях до 50 кг применяется с 1966 года, а в вагонетках - с 1970 года. 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.