EA042865B1

EA042865B1 - Нейтронный способ оценки качества угля

Info

Publication number: EA042865B1
Application number: EA202192589
Authority: EA
Inventors: Юрий Пак; Дмитрий Юрьевич Пак; Махмед Бейсембекович Баизбаев; Екатерина Вадимовна Пономарева; Айгуль Акановна Кенетаева; Гулжан Ермековна Аскарова
Original assignee: Юрий Пак
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2023-03-30

Description

Изобретение относится к физическим способам анализа. Оно может быть использовано для оценки их качества, в частности определения зольности в процессе добычи, складирования и переработки в геолого-геофизической, горнодобывающей и энергетической отраслях промышленности.

Известен нейтронно-активационный способ определения зольности угля, основанный на облучении угля потоком быстрых нейтронов и измерении наведенного гамма-излучения, возникающего при распаде радиоактивного нуклида алюминия-28 (Возжеников Г.С., Бреднев И.И., Трофимов В.Л. О возможности экспрессной оценки зольности углей активационным анализом. Известия вузов. Горный журнал, 1968, № 10, с. 148-153).

Возможность определения зольности нейтронно-активационным способом базируется на корреляции между наведенной активностью Al²⁸ и зольностью угля. Минеральная (золообразующая) масса угля в основном представлена алюмосиликатами. Содержание оксидов алюминия и кремния в золообразующей массе угля составляет более 70%. Алюминий и кремний обладают благоприятными нейтронноактивационными характеристиками. Алюминий под воздействием тепловых нейтронов по реакции Al²⁷(n, γ) Al²⁸ превращается в радиоактивный изотоп Al²⁸, который с периодом полураспада 2,3 мин распадается с испусканием гамма-излучения с энергией 1,78 МэВ.

Кремний под воздействием быстрых нейтронов по реакции Si²⁸ (n, p) Al²⁸ превращается в радиоактивный изотоп Al²⁸. Применение этих двух ядерных реакций удобно тем, что продуктом нейтронной активации является один и тот же радиоактивный изотоп Al²⁸.

Недостатком известного способа является значительная погрешность определения зольности в условиях непостоянства элементного состава минеральной (золообразующей) массы угля и переменной влажности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является нейтронный способ анализа угля, основанный на облучении угля потоком быстрых нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения, возникающего при распаде радионуклида Al²⁸ и тепловых нейтронов (Патент Республики Казахстан № 34797, 2020. Нейтронный способ анализа угля. Авторы: Пак Ю.Н., Пак Д.Ю., Ибатов М.К. и др.).

Недостатком известного способа является погрешность определения зольности углей в условиях переменной влажности. Данный способ учитывает вклад индикаторных элементов (Al, Si) в наведенную активность радионуклида Al²⁸. Однако дестабилизирующее влияние переменной влажности сохраняется.

Задачей изобретения является повышение точности определения зольности в условиях переменной влажности углей.

Технический результат изобретения состоит в повышении точности и расширении сферы применения способа.

Поставленная задача решается следующим образом. В процессе облучения анализируемых углей (нейтронной активации) потоком быстрых нейтронов дополнительно на стандартных образцах углей с минимальной и максимальной влажностями находят инверсионные длины зондов, соответственно L₁ и L2, при которых наблюдается максимальная интенсивность тепловых нейтронов, а зольность угля определяют по интенсивности наведенного гамма-излучения радионуклида Al²⁸ совместно с величиной отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при найденных длинах L1 и L2.

Наведенная активность радионуклида Al²⁸ - интенсивность гамма-излучения, возникающего при его распаде, зависит в общем случае от содержания в минеральной части угля алюминия и кремния, плотности потока быстрых и тепловых нейтронов в анализируемом угле. Плотность потока нейтронов различной энергии связана с нейтронно-замедляющими и нейтронно-поглощающими свойствами анализируемого вещества. Применительно к углям на указанные нейтроны существенное влияние оказывает влажность угля и в меньшей степени вещественный состав угля. При изменении влажности угля меняется соотношение потоков быстрых и тепловых нейтронов в объеме анализируемого угля в пределах глубинности нейтронного способа. Соотношение потоков нейтронов дифференцировано также в зависимости от длины зонда (расстояние от источника нейтронов до детектора). Следовательно, вклад алюминия и кремния в наведенную активность радионуклида Al²⁸ зависит от содержания этих элементов и плотности потока быстрых и тепловых нейтронов в объеме угля.

Сечение реакции Al²⁷ (n, γ) Al²⁸, проходящей на тепловых нейтронах равно 0,21 барн. Сечение реакции Si²⁸ (n, p) Al²⁸, проходящей на быстрых нейтронах, равно 0,22 барн. Вероятности этих реакций практически одинаковы. Отсюда перераспределение Al и Si в золообразующей массе угля не повлияет на наведенную активность Al²⁸ только в случае постоянства соотношения тепловых и быстрых нейтронов в исследуемом объеме, которое зависит преимущественно от влажности угля. Отсюда для повышения точности (минимизации погрешности) определения зольности угля нужны компенсирующие действия по учету возмущающего влияния переменной влажности угля на результаты анализа.

Экспериментальные исследования на углях различной влажности при переменной длине зонда показали, что в целом зависимость интенсивности тепловых нейтронов от влажности и длины зонда носит сложно-инверсионный характер с максимумом, зависящем от длины и влажности.

Область инверсии (максимум интенсивности тепловых нейтронов) закономерно смещается в сторо

-

Claims

ну больших длин зонда для углей с малой влажностью, а для углей с большой влажностью в область малых длин зонда. Следовательно, измеренные интенсивности тепловых нейтронов на углях влажностью в пределах от минимально возможной до максимально возможной будут характеризовать показания заинверсионного зонда при длине Li и доинверсионного зонда при длине L₂. Отсюда величина отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при найденных инверсионных длинах зонда Li и L₂будет более дифференцированной к изменению влажности угля.

Это позволяет скорректировать результаты (интенсивность наведенного гамма-излучения радионуклида А1²⁸) с учетом величины отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при инверсионных длинах Li и L₂.

Существенным отличием изобретения от прототипа является то, что дополнительно на стандартных образцах углей с минимальной и максимальной влажностями находят инверсионные длины зондов, соответственно Li и L₂, при которых наблюдается максимальная интенсивность тепловых нейтронов, а по зольность угля определяют по интенсивности наведенного гамма-излучения радионуклида А1 совместно с величиной отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при найденных инверсионных длинах Li и L₂.

Предлагаемый нейтронный способ анализа апробирован на углях, в которых зольность варьировала в пределах 15-41%, а влажность в пределах 2-9%. Наведенное гамма-излучение радионуклида А1²⁸ с энергией 1,78 МэВ измерялось гамма-спектрометром на основе сцинтилляционного детектора NaJ (Т1) размером 70x70 мм.

Уголь крупностью 0-100 мм размещался в цилиндрической кювете диаметром 80 см и высотой 80 см.

В центре по оси кюветы располагался зонд, содержащий Ρο-Be источник быстрых нейтронов и детектор тепловых нейтронов. Между ними защитный экран, исключающий попадание прямого излучения от источника. Геометрия измерения обеспечивает отсутствие краевых эффектов с учетом глубинности нейтронно-активационного способа. Время активации выбрано 10 мин. Время охлаждения - 10 с. Время измерения наведенной активности - 5 мин. Интенсивность тепловых нейтронов измерялась в процессе нейтронной активации 10 мин. На анализируемом угле в процессе нейтронной активации измерялась интенсивность тепловых нейтронов при найденных инверсионных длинах зонда Li=7 и L₂=48 см. После паузы - 10 с измерялась интенсивность наведенного гамма-излучения радионуклида А1²⁸ с энергией 1,78 по

МэВ в течение 5 мин, а зольность угля определяли по интенсивности радионуклида А1 совместно с величиной отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при найденных инверсионных длинах зонда Li и L₂.

В таблице представлены сопоставительные данные о погрешности определения зольности угля предлагаемым способом и способом-прототипом.________________________________

Способ Интервал зольности, % Интервал влажности, % Погрешность определения зольности % абс. % отн.

Прототип 15-41 2-9 1,96 7,0

Предлагаемый 15-41 2-9 1,75 6,2

Предложенный нейтронный способ в сравнении с известным способом характеризуется повышенной точностью (меньшей погрешностью) определения зольности углей в условиях значительной изменчивости влажности и зольности, что существенно расширяет сферу применения способа.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нейтронный способ оценки качества угля, заключающийся в его облучении потоком быстрых нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения, возникающего при распаде радионуклида А1²⁸ и тепловых нейтронов, отличающийся тем, что в процессе нейтронной активации дополнительно на стандартных образцах углей с минимальной и максимальной влажностями находят инверсионные длины зондов, соответственно Li и L2, при которых наблюдается максимальная интенсивность тепловых нейтронов, а зольность угля определяют по интенсивности наведенного гамма-излучения радионуклида А1²⁸совместно с величиной отношения интенсивностей тепловых нейтронов, измеренных при найденных инверсионных длинах Li и L2.

Евразийская патентная организация, ЕАПВ

Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2