DE2146774C3 - Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie - Google Patents

Description

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 odei organischer Lösung mittels Röntgenfluoreszenzspektrometrie unter Verwendung eines fembedienbaren Probenwechslers, eines Röntgenfluoreszenzspektrometers und eines das Röntgenfluoreszenzspektrometer nach einem vorgegebenen Folgeprogramm steuernden, die Meßdaten speichernden und die Analysenwerte ermittelnden und registrierenden Rechners.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse ist weitgehend unabhängig vom chemischen Zustand eines zu bestimmenden Elements (Wertigkeit, Komplexbildung) und wird durch die Anwesenheit von Fiemdelementen nicht gestört. Sie ist daher zur Messung auch verhältnismäßig kleiner Konzentrationen neben großen Mengen anderer Substanzen geeignet Bereits bekannte Vorrichtungen zur Durchführung einer Röntgenfluoreszenzanalyse wie sie z.B. in der FR-AS 20 05 281, US-PS 33 91 276, US-PS 34 15 987, US-PS 34 54 762 und in der Siemens-Zeitschrift 44 (1970), S. 401 bis 405 und S. 707 bis 715, beschrieben sind, bestehen im wesentlichen aus einem Röntgenfluoreszenzspektrometer mit Hochspannungserzeuger und Impulszählelektronik und einem Probenwechsler, in welchem die die zu bestimmenden Elemente enthaltenden Lösungen in Form von entsprechend der Meßaufgabe von Hand vorbereiteten Proben zur Messung im Röntgenfluoreszenzspektrometer einzeln eingesetzt werden.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist in etwa in der Tonindustrie-Zeitung 93 (1969), Nr. 9, S. 309 bis 314 beschrieben. Mit dieser Vorrichtung gelingt es zwar, einen Prozeßrechner erfolgreich zur automatischen Proportioiiierung von Zementrohstoffkomponenten einzusetzen und die Steuerung eines Zement-Drehofens mit allen seinen Nebeneinrichtungen übernehmen zu lassen, jedoch werden lediglich die prozentualen Anteile der Rohstoffkomponenten aus einer dem Gesamtmengenstrom entnommenen Teilprobe ermittelt. Die Ermittlung des prozentualen Anteiles beim gesteuerten Zementherstellungsprozeß isi nicht mit einer genauen Aliquotierung von Probelösungen mit einer elektromechanisch betätigbaren Probenvorbereitungs-Einrichtung auf der Basis von sehr genau feststellbaren Gewichten, Zugabe eines während des Prozesses genau aliquotierten »Inneren Standards«, genauer Verdünnung und Homogenisierung unter Verwendung von Einwegpipetten und Einwegbechern, um Querkontaminationen auszuschließen, zu vergleichen.

Die Vorbereitung der Proben zur Messung umfaßt nach der Probenahme demnach 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 Thorium-Standardlösung 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, eine Maßnahme, die in ähnlichem Zusammenhang auch schon bei Meßgeräten (Zeiss-Informationen 16 [1968], S. 12 bis 14), angewandt wurde.

Zur Berechnung jedes einzelnen der gewünschten Konzentrationswerte werden die entsprechenden notierten Werte der Gewichtsbestimmungen, der Röntgenstrahlen-Intensitäten, der Verdünnungsverhältnisse usw. 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 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 Werkstoffen vermeiden zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentratio-„en von spalt- und/oder brütbaren L.coffen 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 dadurch gelöst, daß in einer an sich bekannten Handschuhbox eine nach dem Folgeprogramm elektromechanisch betätigbare Probenvorbereitungs-Einrichtung mit dem fernbedienbaren Probenwechsler untergebracht ist, daß die Probenvorbereitungs-Einrichtung aus einem Magazin mit einer Vielzahl von Einwegpipetten, die durch Fernsteuerung darin transportiert und daraus entnommen werden, einer Transporteinrichtung, die den in die Handschuhbox eingeschleusten Probenbehälter transportiert, einer aus den Probenbehältern mittels cien Einwegpipetten jeweils Teilprobenmengen entnehmenden Pipettiereinrichtung, einem Bechermagazin mit einer Vielzahl von Bechern für die Teilprobenmengen, einem weiteren Bechermagazin mit einer Vielzahl von Meßbechern für zu messende Flüssigkeitsmengen, einer elektronischen Waage mit Stellantrieb, mindestens drei Bechertransporteinrichtungen, mehreren Reagenzien oder Verdünnungsmittel enthaltenden Vorratsgefäßen und Dosierpumpen, einem Ausguß mit Sammelbehälter für die ausgemessenen Flüssigkeitsmengen und einem Abfall-Lager für die benutzten Ein- wegpipetten und Becher besteht, und daß die Probenvorbereitungs-Einrichtung über dem Röntgenfluoreszenzspektrometer angeordnet und mit diesem über den Probenwechsler verbunden ist.

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 Zeitabs'.änden 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 10(^g/g Lösung besser als 1% 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 an Hand der Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch in Draufsicht die Probenvorbereitungs-Einrichtung, die in einer Handschuhbox iintpr»ehracht. zum Teil über dem Röntgenfluoreszenzspektrometer angeordnet ist, wie sie beispielsweise für die Spaltstoffflußkontrolle verwendet werden kann;

F i g. 2 zeigt ein hierzu entsprechend verwendbares Fließschema der Arbeitsschritte, die von einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Steuerteil bzw. steuernden Rechner nach einem vorgegebenen Folgeprogramm gesteuert werden und durch die Probenvor bereitungs-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 4 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 Bechertransporteinrichtung 8 einen Becher 9a 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 gespeichert. Danach entnimmt die Pipettiereinrichtung 5 ein der Pipette 7 entsprechendes Volumen aus der Probe aus dem Behälter 1 in Position A und läßt diese Teilprobenmenge in den Becher 9a in Position B ausfließen. Die Bechertransporteinnchtung 8 übernimmt sodann den Becher wieder und setzt ihn in Wiegeposition auf die Waage 10. Etwa gleichzeitig wird der Probenrest im Probenbehälter 1 mittels der Pipettiereinrichtung 5 aufgezogen, über dem Ausguß 13 entleert und darauf der Behälter 1 mit Hilfe der Behälter-Transporteinrichtung 4 wieder ausgeschleust. Nach der Wägung, deren Wert ebenfalls gespeichert wird, überführt die Bechertransporteinrichtung 8 den Becher in eine Position C, wo die Teilprobenmenge mit einer bestimmten Menge der Lösung eines sogenannten »inneren Standards«, beispielsweise eines Thorium- oder Yttrium-Salzes, aus einem der Vorratsgefäße 15 mittels einer der Dosierpumpen 16 versetzt wird. Der Becher 9a wird erneut in Wiegeposition gesetzt, gewogen, das Gewicht gespeichert und die benötigten Gewichts-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 entsprechen den Zahl Dosierpumpen 16 können Eichproben auf Grund vorzugebender Steuerproramme hergestellt und gemessen werden. Die zur Probennah ne verwendete Pipette 7 wird angehoben und auf eine in der Zeichnung nicht dargestellte zum Abfall-Lager 14 führende Rutsche gebracht. An Stelle der Rutsche kann auch eine weitere Transporteinrichtung eingebaut sein. Danach wird von der Pipettiereinrichtung 5 eine neue Einwegpipette 7 vom Pipettenmagazin 6 übernommen. Nach Zugabe der letzten benötigten Lösung überführt die Transporteinrichtung 8 den Becher 9a aus der Position C in die Position ß unter die Pipettiereinrichtung 5, durch welche mittels der neuen Pipette 7 Gas zum homogenen Mischen der Lösungen in diese eingeleitet wird. Etwa gleichzeitig wird mit Hilfe der Bechertransporteinrichtung 12 ein Meßbecher 17a aus dem Meßbechermagazin 17 entnommen und auf die Bechertransporteinrichtung 18 in Position D unter die Pipet-

tiereinrichtung 5 gestellt. Mit der Pipette 7 wird aus dem in Position B stehenden Becher 9a die Meßmenge der gut durchmischten Lösung aufgezogen und in den in Position D stehenden Meßbecher 17a ausfließen gelassen. Sobald der Meßbecher mit der zu messenden Lösung versehen ist, führt ihn die Bechertransporteinrichtung 18 in den sich nun 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 wird der Becher 9a 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.

Nach durchgeführter Messung werden die Meßwerte gespeichert und nach einem vorgegebenen Schema zu den gewünschten Analysenwerten verarbeitet und diese angezeigt, beispielsweise durch zum Rechner gehörige Schreiber und/oder Drucker. Der Probenwechsler 19 öffnet sich wieder und läßt den Meßbecher 17a frei, der von der Bechertransporteinrichtung 18 erfaßt und in eine Position gebracht wird, in der die zum Überführen der Meßmenge in den Meßbecher 17a verwendete Pipette 7 die Meßmenge aufzieht und über dem Ausguß 13 entleert, und von welcher ihn die Bechertransporteinrichtung 12 übernimmt und auf die zum Abfall-Lager 14 führende Rutsche oder Transporteinrichtung zur Beseitigung ablegt. Darauf wird die Pipette 7 ebenfalls in beschriebener Weise in das Abfall-Lager transportiert. Nun ist die Probenvorbereitungseinrichtung 3 wieder frei zur Aufnahme des nächsten Probenbehälters 1.

Mit einer solchen Ausführung der Probenvorbereitungseinrichtung 3 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 jeweils 50 oder 100 Stück, und tragen somit zur Verkürzung der Probenvorbereitungszeit bei.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

(ι Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von spalt- und/oder brütbaren Stoffen aus der Gruppe Thorium, Uran, Neptunium, Americium und Curium in wäßriger oder organischer Lösung mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie unter Verwendung eines fembedienbaren Probenwechslers, eines Röntgenfluoreszenzspektrometers und eines das Röntgenfluoreszenzspektrorneter nach einem vorgegebenen Folgeprogramm steuernden, die Meßdaten speichernden und die Analysenwerte ermittelnden und registrierenden Rechners, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an sich bekannten Handschuhbox (2) eine nach dem Folgeprogramm elektromechanisch betätigbare Probenvorbereitungs-Einrichtung (3) mit dem fernbedienbaren Probenwechsler (19) untergebracht ist, daß die Probenvorbereitungs-Einrichtung (3) aus einem Magazin (6) mit einer Vielzahl von Einwegpipetten (7), die durch Fernsteuerung darin transportiert und daraus entnommen werden, einer Transporteinrichtung (4), die den in die Handschuhbox (2) eingeschleusten Probenbehälter (1) transportiert, einer aus den Probenbehältern (1) mittels den Einwegpipetten (7) jeweils Teilprobenmengen entnehmenden Pipettiereinrichtung (5), einem Bechermagazin (9) mit einer Vielzahl von Bechern (9a) für die Teilprobenmengen, einem weiteren Bechermagazin (17) mit einer Vielzahl von Meßbechern (17a) für zu messende Flüssigkeitsmengen, einer elektronischen Waage (10) mit Stellantrieb (11), mindestens drei Bechertransporteinrichtungen (8, 12, 18), mehreren Reagenzien oder Verdünnungsmittel enthaltenden Vorratsgefäßen (15) und Dosivjrpumpen (16), 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 und mit diesem über den Probenwechsler (19) verbunden ist.

2. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Kontrolle des Spaltstoff-Flusses in Anlagen für die Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe.