Развитие методологии исследования химического состояния и нарушенного радиоактивного равновесия изотопов 238 U и 234 U в природных минеральных композициях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.14, кандидат химических наук Пучкова, Елена Виталиевна

• Пучкова, Елена Виталиевна
• кандидат химических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат химических наук Пучкова, Елена Виталиевна

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Формы вхождения урана в горные породы и минералы.

1.1.1. Микроскопические и субмикроскопические выделения собственных минералов урана.

1.1.2. Изоморфные примеси урана в акцессорных минералах.

1.1.3. Формы молекулярного рассеяния урана.

1.2. Изучение состояния окисления урана в минералах.

1.2.1. Изучение состояния окисления урана методами растворной химии.

1.2.2. Инструментальные методы изучения состояния окисления урана.

1.2.2.1. Магнитометрия.

1.2.2.2. Инфракрасная спектроскопия.

1.2.2.3. Электронная спектроскопия.

1.2.2.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС).

1.2.2.5. Метод химического сдвига рентгеновских линий.

1.3. Изо1опы урана в природе.

1.3.1. Физико-химические факторы, приводящие к нарушению радиоактивного равновесия в природных системах.

1.3.2. Анализ некоторых концепций фракционирования изотопов в природе.

1.3.2.1. Модели фракционирования изотопов с участием жидкой фазы.

1.3.2.2. Модель фракционирования изотопов без участия жидкой фазы.

1.3.3. Валентные формы изотопов урана и состояние радиоактивного равновесия в минералах.

1.3.4. Кинетика фракционирования изотопов 238и и 234и.

Глава 2. Описание эксперимента.

2.1. Изучаемая горная порода и составляющие ее минера

2.1.1. Разделение метасоматита на составляющие минеральные фракции.

2.2. Описание инструментальных методов исследования минеральных компонентов метасоматита.

2.2.1. Микрорентгеноспектральный анализ.

2.2.2. Рентгенофлуоресцентный анализ.

2.2.3. Метод химических сдвигов эмиссионных рентгеновских линий.

2.2.3.1. Развитие метода химического сдвига рентгеновских линий для идентификации состояния урана в минералах с содержанием урана п %.

2.3. Радиохимический анализ.

2.3.1. Кислотное разложение образцов.

2.3.2 Выщелачивание изотопов урана и тория ю минералов.

2.3.3. Регулирование окислительно-восстановительных потенциалов в системе минерал - кислота.,.

2.3.4. Выделение фракций урана, тория и разделение ХДГУ) и ЩУ1).

2.3.5. Измерение активности изотопов урана и тория методом а-спектрометрии, обработка ос-спектров.

2.3.6. Проведение расчетов и оценка погрешности результатов.

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение.

3.1. Состав выделенных минеральных фракций.

3.2.Изучение фаз-носителей урана в силикатных минералах метасоматита. ^

3.3. Исследование химического состояния урана в минеральных компонентах метасоматита. ЮО

3.4. Изучение изотопного состава и состояния радиоактивного равновесия в метасоматите и его минеральных компонентах.

234 230тт

3.5. Изучение поведения атомов отдачи и и ТЪ при инконгру-ентном растворении эгирина, альбита и пирохлора. ПО

3.5.1. Анализ величин отношений активностей изотопов 234и/238и в содовых вытяжках.

3.5.2. Сравнительное изучение величин отношений активностей изотопов 234и/238и и 230ТЪ/238и в солянокислых вытяжках.

3.5.3. Изучение взаимосвязи между состоянием окисления изотопов урана и величиной отношения активностей изотопов и/ и в эгирине.

3.6. Изучение состояния радиоактивного равновесия в различных урансодержащих химических и минеральных фракциях эгирина и альбита.:.

3.6.1. Селективная экстракция химических и минеральных фракций.

3.6.2. Изучение состояния радиоактивного равновесия в выделенных фракциях. Анализ физико-химических факторов определяющих нарушение радиоактивного равновесия.

3.7. Кинетические характеристики процесса выщелачивания изотопов 238и и 234и из минеральных компонентов метасоматита. Развитие дифференцированного способа расчета констант выщелачивания изотопов урана из минералов.

3.7.1. Описание используемой кинетической модели.

3.7.2. Оценка констант выщелачивания изотопов 238и и 234и из минеральных компонентов метасоматита с использованием традиционной методологии.

3.7.3. Исключение вклада фракции подвижного урана в значения констант выщелачивания изотопов урана.

3.7.4. Расчет констант выщелачивания изотопов урана из выветренных зон минералов.

3.8. Некоторые прикладные аспекты.

3.8.1. Оценка свойств силикатных минералов как матриц радиоактивных отходов (РАО).

3.8.2. Пирохлор как минеральная матрица РАО.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методологии исследования химического состояния и нарушенного радиоактивного равновесия изотопов 238 U и 234 U в природных минеральных композициях»

Природная радиоактивность является предметом исследований нескольких смежных областей знания: радиохимии и химии атомов отдачи, радиогеологии, изотопной и ядерной геохимии, радиоэкологии и радиационной гигиены. Помимо самостоятельного интереса, который представляют исследования природных радионуклидов - членов радиоактивных семейств U и 232Th (ядерных и физико-химических свойств, роли в природе, влияния на биосферу и т.д.), можно выделить вполне сформировавшееся направление работ, суть которого заключается в рассмотрении поведения природных радионуклидов в окружающей среде и связанных с ним ядерно-химических эффектов как естественной модели для изучения геохимических процессов в литосфере и гидросфере Земли, в том числе и процессов, обусловленных антропогенными факторами.

Использование природных а-излучателей в качестве радиоактивных индикаторов, в дополнение к изучению других химических элементов или характеристик природной среды, дает возможность получить информацию по широкому кругу вопросов, связанных со скоростью и механизмом миграции радионуклидов в Земной коре. На Западе большинство исследований такого рода выполняются в рамках международной программы, получившей название "Programm of Natural Analogues Studies", осуществляемой в Великобритании, Франции, странах Скандинавии и ряде других стран в течение последних 15-20 лет. Данные, полученные при таких исследованиях, учитываются при выборе геологических формаций или конкретных мест расположения подземных хранилищ радиоактивных отходов, при создании многобарьерных систем изоляции хранилищ, выборе типа буферных материалов, формы радиоактивных отходов, минеральных матриц для консервации оружейного плутония и т.д. Знание поведения природных радионуклидов дает возможность с большой степенью надежности прогнозировать развитие радиоэкологической обстановки 7 в случаях аварийных ситуаций на объектах ядерной энергетики, сопровождающихся утечкой радиоактивных веществ.

Значительное место в реализации указанной программы занимают исследования нарушенного секулярного равновесия в ряду и и, конкретно, между наиболее долгоживущими членами ряда:

238и, 234и и ТЪ. Нарушение радиоактивного равновесия является результатом выщелачивания радионуклидов из горных пород природными растворами. Степень отклонения от равновесия отражает интенсивность и длительность процессов выщелачивания, водопроницаемость горных пород, специфику взаимодействия вода-порода, хронологию событий и т.д.

Однако, количественное описание процессов выщелачивания не является простой задачей. Это связано с тем, что горные породы представляют собой гетерогенные многофазные системы. Поэтому эффект нарушенного радиоактивного равновесия оказывается функцией большого числа параметров, относящихся к отдельным минеральным составляющим породы. Первостепенное значение приобретает содержание урана в отдельных минералах или даже в микроминеральных включениях, кристаллохимическое состояние и фазовое распределение изотопов урана, минеральная форма, состояние окиления и т.п. Только после выяснения вопросов о том, какой конкретно минеральный компонент и в какой мере определяет нарушенное равновесие, в каких локальных зонах развиваются процессы, приводящие к дисбалансу изотопов, результатом каких механизмов или факторов является этот дисбаланс, возможно корректное феноменологическое описание процессов выщелачивания и использование полученных кинетических параметров для решения тех или иных прикладных задач. Решению поставленных вопросов посвящена данная работа. 8