DE2146774A1

DE2146774A1 - Vorrichtung zur bestimmung von konzentrationen von spalt- und/oder bruetbaren stoffen mittels roentgenfluoreszenzspektrometrie

Info

Publication number: DE2146774A1
Application number: DE2146774A
Authority: DE
Inventors: Adolf Von Dipl Chem Baeckmann; Juergen Dipl Chem Neuber
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1971-09-20
Filing date: 1971-09-20
Publication date: 1973-04-05
Also published as: DE2146774B2; DE2146774C3; US3879609A; FR2153910A5

Description

GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 14.9.1971

KERNFORSCHUNG MBH PLA 71/^2 Gl/kr

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Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen aus der Gruppe Thorium, Uran, Neptunium, Plutonium, Americium und Curium in wäßriger oder organischer Lösung mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist weitgehend unabhängig vom chemischen Zustand eines zu bestimmenden Elements (Wertigkeit,Komplexbildung) und wird durch die Anwesenheit von Fremdelementen nicht gestört. Sie ist daher zur Messung auch verhältnismäßig kleiner Konzentrationen neben großen Mengen Störsubstanzen geeignet. Die bereits bekannten Vorrichtungen zur Durchführung einer Röntgenfluoreszenzanalyse bestehen in bisher umfassendster Ausführung

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lediglich aus einem Röntgenfluoreszenzspektrometer mit Hochspannungserzeuger und Impulszählelektronik und einem Probenwechsler, in welchen die die zu bestimmenden Elemente enthaltenden Lösungen in Form von entsprechend der Meßaufgabe von Hand vorbereiteten Proben zur Messung im Röntgenfluoreszenzspektrometer einzeln eiXigesetzt werden.

Die Vorbereitung der Proben zur Messung umfaßt nach der Probenahme eine Reihe in einem chemischen Labor auszuführender, aufeinanderfolgender Arbeitsschritte» So wird beispielsweise zur Ausmessung einer eine unbekannte Konzentration Uran enthaltenden Lösung von einer geschulten und erfahrenen Arbeitskraft eine aliquote Menge dieser Lösung ausgewogen und, falls erforderlich verdünnt, zu einer gewogenen Menge Uran- und Thorium-Stammlösung bekannter Konzentrationen, die von der Fachkraft im voraus hergestellt und kontrolliert worden war, gegeben und eine gewogene Menge der so behandelten Lösung in ein Meßgefäß überführt. Dieses Meßgefäß wird danach in den Probenwechsler eingesetzt.

Soll eine Probe zur Messung vorbereitet werden, die Plutonium oder ein anderes toxisch wirkendes Transuranelement enthält, so werden die Manipulationen sicherheitshalber in einer Handschuhbox ausgeführt.

Zur Berechnung jedes einzelnen der gewünschten Konzentrationswerte werden die entsprechenden notierten Werte der Gewichtsbestimmungen, der Röntgenstrahlen-Intensitäten, der Verdünnungsverhältnisse etc. jeweils nach einem vorgegebenen Berechnungsschema zueinander in Beziehung gestellt und die gewünschten Werte so ermittelt. Eine solche Berechnung von Konzentrationen ist sehr umständlich und zeitraubend.

Dient die Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen der Kontrolle eines Prozesses, beispielsweise eines

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Prozesses zur Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe, so ist es erforderlich, daß die Kontrollwerte mit größtmöglicher Sicherheit fehlerlos ermittelt werden und in der kürzest möglichen Zeit zur Verfügung stehen, um Verluste an Wertstoffen vermeiden zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie zu schaffen, die auch von nur angelernten Arbeitskräften in Gang gesetzt werden kann, mit einem größtmöglichen Maß an Sicherheit in Bezug auf Schutz vor radioaktiver Strahlung und/oder toxischen Stoffen für die Arbeitskräfte, sowie in Bezug auf Kontrollwerte eines Prozesses. Mit dieser Vorrichtung sollen in gleicher Weise unbestrahlte Stoffe, wie auch neutronenbestrahlte Stoffe, bzw. Stoffe mit starkem Abbrand, unter geringem Raum- und Zeitaufwand untersucht werden können, und die sich aus den Untersuchungen ergebenden Konzentrationen ermittelt und registriert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine in einer Handschuhbox unterbringbare, elektromechanisch betätigbare Probenvorbereitungs-Einrichtung mit einem fernbedienbaren Probenwechsler, ein Rontgenfluoreszenzspektrometer mit Hochspannungserzeuger und Impulszählelektronik und einen die Probenvorbereitungs-Einrichtung, den Probenwechsler und das Rontgenfluoreszenzspektrometer nach einem vorgegebenen Folgeprogramm steuernden, die Meßdaten speichernden und die Analysenwerte ermittelnden und registrierenden Rechner.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht die Probenvorbereitungs-Einrichtung aus einem eine Vielzahl von Einwegpipetten tragenden, beweglichen, die Pipetten bei Fernsteuerung schrittweise transportierenden Magazin, einer die in die Handschuhbox eingeschleusten Proben enthaltenden Behälter aufnehmenden und einzeln

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transportierenden Transporteinrichtung, einer aus den Probenbehältern mittels den Einwegpipetten jeweils Teilprobenmengen entnehmenden Pipettierelnrichtüng, einem Bechermagazin mit einer Vielzahl von Bechern zur Aufnahme der pipettierten Teilprobenmengen, einem weiteren Bechermagazin mit einer Vielzahl von Meßbechern zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeitsmengen, einer elektronischen Waage mit Stellantrieb, mindestens drei Bechertransport einrichtungen, einem Probenwechsler, mehreren Dosierpumpen mit Reagenzien oder Verdünnungsmittel enthaltenden Vorratsgefäßen, einem Ausguß mit Sammelbehälter für die ausgemessenen Flüssigkeitsmengen und einem Abfall-Lager für die benutzten Einwegpipetten und Becher und ist die Probenvorbereitungs-Einrichtung über dem Röntgenfluoreszenzspektrometer angeordnet und mit diesem über den Probenwechsler verbunden·'

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit großem Vorteil zur Kontrolle des Spaltstoff-Flusses in Anlagen für die Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe verwendet» Ein bedeutender Vorteil ergibt sich daraus, daß die Vorrichtung mit geringen zusätzlichen Mitteln, beispielsweise mit einer in einstellbaren Zeitabständen betätigbaren Probeentnahme-Einrichtung, die aus einem kalibrierten Gefäß mit Überlauf bestehen kann, in einen Prozeßstrom oder in einen Bypaß eines Prozeßstromes eingebaut werden kann. Die Messungen im Röntgenfluoreszenzspektrometer werden selbst durch hohe Radioaktivität der Lösungen nicht behindert. Die erreichbare Genauigkeit ist für Konzentrationen um oder über 100 Aig/g Lösung besser als \% relativ und somit beispielsweise für die Spaltstoffflußkontrolle ausreichend. Besondere Vorteile für die Spaltstoffflußkontrolle sind auch die Verfälschungssicherheit und der bedienungsfreie Betrieb.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.

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Figur 1 zeigt schematisch in Draufsicht die Probenvorbereitungs-Einrichtung, die in einer Handschuhbox untergebracht, zum Teil über dem RÖntgenfluoreszenzspektrometer angeordnet ist, wie sie beispielsweise für die Spaltstoffflußkontrolle verwendet werden kann. Figur 2 zeigt ein hierzu entsprechend verwendbares Fließschema der Arbeitsschritte, die von einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Rechner nach einem vorgegebenen Folgeprogramm gesteuert werden und durch die Probenvorbereitungs-Einrichtung ausgeführt werden.

Eine Probe wird in einem Behälter 1 in die Handschuhbox 2, die die Probenvorbereitungs-Einrichtung 3 enthält, eingeschleust und mittels einer Behälter-Transporteinrichtung h in eine Position A unter die Pipettiereinrichtung 5 gebracht. Etwa gleichzeitig wird . die Pipettiereinrichtung 5 von dem beweglichen Pipetten-Magazin 6 mit einer der nur einmal zu verwendenden Einwegpipetten 7 versorgt. Ebenfalls etwa gleichzeitig übernimmt eine Bechertransporteinrich-

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tung 8 einen Becher von dem Bechermagazin 9 und setzt diesen Becher in Wiegeposition auf die Schale der elektronischen Waage 10, auf der mit einem Stellantrieb 11 der Becher gewogen wird, entnimmt ihn wieder und setzt ihn in eine Position B unter die Pipettiereinrichtung 5· Das Gewicht des leeren Bechers wird im Rechner gespeichert. Danach entnimmt die Pipettiereinrichtung 5 ein. der Pipette 7 entsprechendes Volumen der Probe aus dem Behälter 1 in " Position A und läßt diese Teilprobenmenge in den Becher in Position B ausfließen. Die Bechertransporteinrichtung 8 übernimmt sodann den Becher wieder und setzt ihn in Wiegeposition auf die Waage 10. Etwa gleichzeitig wird der Probenrest im Probenbehälter 1 mittels einer Bechertransporteinrichtung 12 über dem Ausguß 13 entleert und der Behälter 1 auf eine in der Zeichnung nicht dargestellte, zum Abfall-Lager 14 führende Rutsche gebracht. Anstelle der Rutsche kann auch eine weitere Transporteinrichtung eingebaut sein. Nach der Wägung, deren Wert ebenfalls vom Rechner gespeichert wird,

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überführt die Bechertransporteinrichtung 8 den Becher in eine Position C, wo die Teilprobenmenge mit einer bestimmten Menge der Lösung eines sogenannten "inneren Standards", beispielsweise -r Thorium- oder Yttrium-Salzes, aus einem der Vorratsgefäße 15 rru.. tels einer der Dosierpumpen 16 versetzt wird. Der Becher wird erneut in Wiegeposition gesetzt, gewogen, das Gewicht vom Rechner gespeichert und die benötigten Gewicht.s-Differenzen berechnet und ebenfalls gespeichert, und der Becher zurück in Position C gebracht. Falls erforderlich, werden nun noch weitere Reagenzien oder Verdünnungsmittel aus weiteren Vorratsgefäßen 15 mittels den jeweils zugeordneten Dosierpumpen 16 zugeführt.Durch die Anordnung einer genügend großen Zahl von Vorratsgefäßen 15, beispielsweise von 10 Gefäßen, und der entsprechenden Zahl Dosierpumpen 16 können Eichproben auf Grund vorzugebender Steuerprogramme hergestellt und gemessen werden. Nach Zugabe der letzten benötigten Lösung überführt die Transporteinrichtung 8 den Becher aus der Position C in die Position B unter die Pipettiereinrichtung 5, durch welche mittels der bereits benutzten Pipette 7 Gas zum homogenen Mischen der Lösungen in diese eingeleitet wird. Etwa gleichzeitig wird mit Hilfe der Bechertransporteinrichtung 12 ein Meßbecher aus dem Meßbechermagazin 17 entnommen und auf die Bechertransporteinrichtung l8 in Position D unter die Pipettiereinrichtung 5 gestellt. Die zur Gaseinleitung verwendete Pipette 7 wird angehoben und auf eine in der Zeichnung nicht dargestellte zum Abfall-Lager l4 führende Rutsche gebracht. Die Rutsche kann die gleiche sein, wie die für die Beseitigung der Behälter 1. Anstelle der Rutsche kann auch eine weitere Transporteinrichtung eingebaut sein. Danach wird von der Pipettiereinrichtung 5 eine neue Einwegpipette 7 vom Pipettenmagazin 6 übernommen und mit dieser aus dem in Position B

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stehenden Becher die Meßmenge der gut durchmischten Lösung aufge-

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zogen und in den in Position D stehenden Meßbecher ausfließen gelassen. Sobald der Meßbecher mit der zu messenden Lösung versehen ist, führt ihn die Bechertransporteinrichtung l8 in den sich nun

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öffnenden, mit einer Strahlungs-Abschirmung versehenen Probenwechsler 19* bzw. in dessen Schleuse. Nach dem Schließen des äußeren Verschlusses des Probenwechslers 19 beginnt die Messung mit Hilfe des Röntgenfluoreszenzspektrometers 20. Etwa zur gleichen Zeit

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wird der Becher von der Bechertransporteinrichtung 12 erfaßt, über dem Ausguß 13 entleert und auf die Rutsche oder Transporteinrichtung (nicht dargestellt), die zum Abfall-Lager 14 führt, gebracht und der Becher beseitigt. Die zum Überführen der Meßmenge in den Meßbecher verwendete Pipette 7 wird ebenfalls in beschriebener Weise in das Abfall-Lager 14 transportiert.Nach durchgeführter Messung werden die Meßwerte im Rechner nach einem vorgegebenen Schema zu den gewünschten Analysenwerten verarbeitet und diese angezeigt, beispielsweise durch zum Rechner gehörige Schreiber und/oder Drukker. Der Probenwechsler 19 öffnet sich wieder und läßt den Meßbeeher frei, der von der Bechertransporteinrichtung l8 erfaßt und in eine Position gebracht wird, von welcher ihn die Bechertransport einrichtung 12 übernimmt, ihn über den Ausguß 13 bringt und entleert und ihn darauf auf die zum Abfall-Lager 14 führende Rutsehe oder Transporteinrichtung zur Beseitigung ablegt. Nun ist die Probenvorbereitungseinrichtung 2 wieder frei zur Aufnahme des nächsten Probenbehälters 1.

Mit einer solchen Ausführung der Probenvorbereitungseinrichtung J kann die benötigte Zeit für die Vorbereitung und Messung einer Probe bis zum Erhalt der Analysenwerte auf mindestens den vierten Teil des bisherigen Zeitbedarfs reduziert werden. Die Magazine fassen eine große Anzahl Pipetten bzw. Becher, beispielsweise je-. wells 50 oder 100 Stück und tragen somit zur Verkürzung der Probenvorbereitungszeit bei.

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Claims

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Patentansprüche:

Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/ oder brütbaren Stoffen aus der Gruppe Thorium, Uran, Neptunium, Plutonium, Americium und Curium in wäßriger oder organischer Lösung mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie, gekennzeichnet durch eine in einer Handschuhbox (2) unterbringbare, elektromechanisch betätigbare Probenvorbereitungs-Einrichtung (3) mit einem fernbedienbaren Probenwechsler (19)* ein Röntgenfluoreszenzspektrometer (20) mit Hochspannungserzeuger und ImpulsZählelektronik und einen die Probenvorbereitungs-Einrichtung (j5), den Probenwechsler (19) und das Röntgenfluoreszenzspektrometer (20) nach einem vorgegebenen Folgeprogramm steuernden, die Meßdaten speichernden und die Analysenwerte ermittelnden und registrierenden Rechner.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenvorbereitungs-Einrichtung (5) aus einem eine Vielzahl von Einwegpipetten (7) tragenden, beweglichen, die Pipetten bei Fernsteuerung schrittweise transportierenden Magazin (6), einer die in die Handschuhbox (2) eingeschleusten, Proben enthaltenden Behälter (l) aufnehmenden und einzeln transportierenden Transporteinrichtung (4), einer aus den Probenbehältern (l) mittels den Einwegpipetten (7) jeweils Teilprobenmengen entnehmenden Pipettiereinrichtung (5), einem Bechermagazin (9)

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mit einer Vielzahl von Bechern zur Aufnahme der pipettierten Teilprobenmengen, einem weiteren Bechermagazin (1-7) mit einer

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Vielzahl von Meßbechern zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeitsmengen, einer elektronischen Waage (1O) mit Stellantrieb (11), mindestens drei Bechertransporteinrichtungen (8,12,l8), einem Probenwechsler (19)* mehreren Dosierpumpen (l6) mit

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Reagenzien oder Verdünnungsmittel enthaltenden Vorratsgefäßen (15)1 einem Ausguß (13) mit Sammelbehälter für die ausgemessenen Flüssigkeitsmengen und einem Abfall-Lager (14) für die benutzten Einwegpipetten und Becher besteht, und daß die Probenvorbereitungs-Einrichtung (3) über dem Röntgenfluoreszenzspektrometer (20) angeordnet ist und mit diesem über den Probenwechsler (19) verbunden ist.

3· Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 zur

Kontrolle des Spaltstoff-Flusses in Anlagen für die Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe.

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