1.4 .Các phƣơng pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân Urani
1.4.1. Phương pháp phân tích phá hủy mẫu
Phương pháp xác định hàm lượng có tính chính xác và độ tin cậy khá cao, tuy nhiên việc xử lý mẫu bắt buộc phải phá hủy, nghiền mịn mẫu đo thì mới có thể áp dụng được. Các cơng đoạn trong q trình đo đạc xác định thường phức tạp dẫn đến các chi phí phát sinh khá lớn.
Trong các phương pháp phân tích có phá hủy mẫu, phải kể đến 4 phương pháp phổ biến nhất là đo bức xạ alpha, sử dụng khối phổ kế, phân tích sắc ký, và đo bức xạ gamma trong ống khí ly tâm UF6.
a. Đo bức xạ alpha:
Trong tát cả các phương pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân có phá hủy mẫu thì phương pháp do búc xạ alpha là cơ bản nhất . Ta đã biết rằng các đồng vị Urani đều là đồng vị khơng bền, hoạt độ phóng xạ thấp và đều phát ra tia alpha (α) nhưng có các mức năng lượng đặc trưng khác nhau. Việc nghiền nhỏ hỗn hợp Urani và đưa vào thiết bị đo trực tiếp alpha, đếm và tính tỉ số hoạt độ và tỉ số khối lượng sẽ xác định được hàm lượng và độ giàu của mẫu nhiên liệu cần đo.
Phương pháp này khơng địi hỏi cơng nghệ cao, việc che chắn giảm phông cũng đơn giản, dễ dàng , tính tốn và xử lý số liệu khơng phức tạp nhưng bắt buộc
phải nghiền mẫu mới có thể cho ra số liệu chính xác được. Về ngun tắc thì có thể đo trực tiếp nguyên mẫu nhưng số liệu sẽ rất ít và thiếu chính xác (do chính vỏ bên ngồi đã đóng vai trị lớp che chắn hầu hết tia alpha), đồng thời cần phải hiệu chỉnh hệ số hấp thụ, bắt alpha cũng như hệ số phân bố cho phù hợp với thực tế mẫu đo. Càng nhiều hệ số hiệu chỉnh thì số liệu càng sai khác so với thực tế.
b. Khối phổ kế:
Là phương pháp phức tạp nhưng có độ chính xác cao nhất, dựa trên nguyên lý phụ thuộc của lực quán tính ly tâm vào khối lượng để xác định hàm lượng đồng vị Urani có trong mẫu đo. Khối phổ kế thường được kết hợp với những phương pháp khác nhưng cơ bản và phổ biến nhất là phương pháp Khối phổ kế cảm ứng plasma (ICPMS). Về cấu tạo khối phổ kế thơng thường có 3 bộ phận chính là: nguồn ion, phân tích khối lượng và bộ phận đo đạc. Hỗn hợp Uran được đưa vào buồng đốt áp suất cao, bị bắn phá bởi luồng electron gia tốc qua điện áp lớn tạo trạng thái plasma trong buồng ion.Sau đó các ion được gia tốc tiếp và đưa qua ống chuẩn trực, đi vào bộ phận phân tích khối lượng.Bộ phận này là một từ trường đều, có nhiệm vụ bẻ cong đường đi của các ion.Ứng với mỗi khối lượng của ion (khối lượng đồng vị) sẽ có 1 quỹ đạo riêng. Sau khi đi qua bộ phận phân tích sẽ đến với các kênh đo (các điện cực cảm ứng) của bộ phận đo, tạo ra 1 xung điện tương ứng, từ đây số các ion với mỗi khối lượng khác nhau sẽ được đếm trên mỗi kênh ra. Biết được số đếm ứng với mỗi mức khối lượng trên khối phổ kế, ta sẽ tính được hàm lượng chính xác của mỗi nguyên tố trong mẫu đo.
c. Phân tích sắc ký phân tử:
Sắc ký là một phương pháp truyền thống dùng để xác định thành phần có trong hợp chất. Phương pháp này thực hiện trên cơ sở như sau: Hòa tan mẫu đo vào dung mơi hóa học thích hợp và cho chảy dưới dạng pha động vào hệ thống pha tĩnh là các hợp chất rắn (hoặc lỏng) có khả năng trì hỗn và lưu giữ theo đặc tính khối lượng của các phân tử. Các phân tử có trong pha động sẽ di chuyển với tốc độ khác nhau tùy vào khối lượng của chúng, sau đó được lưu giữ lại trên pha tĩnh tại các
vùng khác nhau tương ứng, thời gian và độ phân giải tùy thuộc và đặc tính của vật liệu làm pha tĩnh. Nhược điểm của phương pháp này vẫn là việc phải phá hủy, nghiền nhuyễn mẫu, hịa tan tuyệt đối trong dung mơi và thời gian đo rất dài, nhiều vịng lặp mới có thể phân tích ra kết quả đạt mức tin cậy cho phép.
d. Đo khí UF6:
Một phương pháp xác định độ giàu khác được thực hiện ngay trong giai đoạn làm giàu khí từ UF6 để xác định độ giàu nhiên liệu hạt nhân ngay trong khâu sản xuất. Nguyên tắc của phương pháp này khá đơn giản, đưa khí UF6 vào buồng nén, sử dụng nguyên tố 241Am, phát bức xạ gamma 60 keV, chiếu vào trong buồng nén khí. Bức xạ gamma 60 keV của 241Am khi đi qua buồng khí, gặp phân tử UF6 sẽ bị hấp thụ lại, vì vậy tổng số bức xạ gamma 60 keV sẽ suy giảm tương ứng với nồng độ khí UF6 có trong buồng nén. Sau đó sử dụng detector nhấp nháy NaI đo tỉ lệ bức xạ gamma 185,7 keV của 235U với bức xạ gamma 60keV của 241Amsẽ tính ra được tỉ lệ 235U có trong mẫu khí đó .
Phương pháp đo này cũng đưa ra kết quả với độ chính xác khá tốt, sai số tương đối đạt dưới 1 % đối với các mẫu đã được làm giàu từ 0,72 % đến 5,4 %. Tuy nhiên để thực hiện phương pháp đo này địi hỏi cần có sự che chắn bức xạ nhiễu bên ngồi tốt, buồng nén phải được làm sạch hoàn toàn trước khi đo và áp suất khí cần phải đạt cỡ 700torr trở lên (1torr ≈ 1mmHg).