Фотонейтронный (гамма-нейтронный) метод обогащения

Оборудование для авторадиометрической сортировки

Авторадиометрический метод

Оборудование для люминесцентной сепарации

Таблица 3 - Рентгенолюминесцентные сепараторы

Сепаратор	d, мм	Q, т/ч
ЛС-20	–20+8 –8+4
ЛС-50	–50+20 –30+10
XR-23	–32+16
XR-61	–2+1	0,8

Рисунок 5.7 - Схема люминесцентного сепаратора. 1 – питатели; 2 – фотоэлектронный умножитель; 3 – пневмоклапан; 4 – источник рентгеновского излучения; 5 – сборный бункер

Метод ос­нован на естественной радиоактивности урановых и ториевых ми­нералов. Разработана теория, создана эффективная аппаратура, кото­рая успешно используется в промышленных условиях. Этот техноло­гический процесс применяется для монацитового и лопаритового сырья иявляется основный для урановых руд.

Сепарация происходит по раз­нице в интенсивности гамма-излучения.

Из радиологических свойств урановых руд наиболее существен­ное влияние на соотношение интенсивности гамма-излучения и со­держания урана в руде оказывает состояние радиоактивного равно­весия в отдельных кусках руда. Как известно, в урановых рудах ис­точником гамма-излучения, по которому и производится радиомет­рическая сепарация, является не уран, а радий, образующийся в ре­зультате радиоактивного распада урана ²³⁸U. В результате распада радия образуются свинец, висмут и полоний.

Если в руде полностью сохраняются продукты распада урана, то через несколько миллионов лет между количествами радия и урана устанавливается постоянное соотношение радий / уран = 3,34·10^-7, при котором количество распадающихся атомов радия непрерывно восполняется за счет распада атомов урана и оба элемента находятся в состоянии радиоактивного равновесия. Однако под воздействием природных агентов, радий и уран могут мигрировать из руды или приноситься в нее из других участков месторождения. Это приводит к нарушению радиоактивного равновесия.

В результате сортировки такой руды часть кондиционных по ура­ну кусков руды, в которых наблюдается недостаток радия, а, следо­вательно, и понижение интенсивности гамма-излучения, попадает в хвосты. Другая же часть, некондиционная по урану, но с избытком радия, направляется в концентрат.

Таким образом, нарушение постоянства радиоактивного равнове­сия радий / уран в кусках может снизить эффективность радиометри­ческого обогащения или вообще исключить возможность его приме­нения. Избыток радия лучше, так как при этом легче отделить куски руды от пустой породы.

Помимо радиоактивного равновесия на соотношение между ин­тенсивностью гамма-излучения кусков руды и содержанием в них урана может повлиять присутствие тория. Однако на большинстве промышленных месторождений торий отсутствует или содержится в незначительных количествах. Поэтому постоянство отношения ин­тенсивности излучения и содержания урана, обусловленное присут­ствием тория на урановых месторождениях, в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на эффективность радиометри­ческой сепарации урановых руд. Эти два фактора могут определить пределы колебаний соотношения между интенсивностью гамма-излучения кусков руды и содержанием в них урана, зависит от контрастности руды.

При радиометрической сепарации материал должен быть клас­сифицирован на узкие классы по крупности. Шкала классификации 1,5 или 2...3. Максимальная крупность кусков не должна составлять более 250...300 мм, так как при большей крупности затрудняется ра­бота исполнительного механизма (шиберного или пневмоклапана). Минимальная крупность - не менее 25... 15 мм, так как при меньшей крупности становится недостаточной чувствительность применяемой аппаратуры и резко снижается производительность сепаратора при покусковой подаче материала. Необходимость классификации руды на узкие классы крупности определяется тем, что в радиометриче­ских сепараторах распределение кусков руды между продуктами обогащения производится по некоторой заданной граничной интен­сивности гамма-излучения. Интенсивность гамма-излучения куска зависит от количества в нем урана. Поэтому интенсивность гамма-излучения богатого, но мелкого куска руды может оказаться ниже граничной интенсивности. В связи с этим часть кондиционно­го, но мелкого материала может быть направлена в хвосты. Наобо­рот, часть некондиционных, но крупных кусков руды, благодаря зна­чительной массе, может обладать интенсивностью гамма-излучения большей, чем граничная интенсивность, поэтому попадет в концен­трат. Таким образом, различие сепарируемых кусков руды по круп­ности, обуславливающее непостоянство в них отношения интенсив­ности излучения к содержанию урана в куске, может привести к ухудшению технологических показателей.

При сепарации каждого класса крупности руды на отдельном се­параторе со своей заданной граничной интенсивностью, верхний и нижний пределы интенсивности гамма-излучения разделяемых кус­ков сближаются.

В промышленной практике в настоящее время применяется авто­радиометрическое обогащение двух видов: крупнопорционная сор­тировка руд при их добыче и покусковая сепарация рядовой руды.

Крупнопорционную сортировку всей рудной массы в процессе добычи в шахтах и карьерах производят с выделением пустой поро­ды, забалансовой руды и товарной руды. Этот процесс обеспечивает снижение потерь руды при добыче и ее разубоживание.

При сортировке урановых руд измерение гамма-излучения прово­дится в ковшах экскаваторов, в погрузочно-доставочных машинах, вагонетках, автосамосвалах.

Рисунок 27 - Типовая структурная схема рудосортировочного радиометра: 1 - детектор излучения; 2 - усилитель импульсов; 3 - формирующий каскад; 4 - измеритель скорости счета или устройство абсолютного счета; 5 - пороговый каскад; 6 - исполнительный каскад; 7 - выход к сепаратору; 8 - блок питания; 9 – сеть.

Время измерения излучения составляет всего 3...20 сек в зависимости от чувствительности приборов и массы пробы. Это позволяет иметь большую производительность и приемлемую точность определения среднего содержания ценного компонента в руде.

Радиометрические контрольные станции в последние годы нахо­дят все более широкое применение при переработке нерадиоактив­ных руд: бериллиевых, флюоритовых, апатитовых и других. Покус­ковая сепарация руды проводится на ленточных сепараторах.

Руда подается на ленту конвейера питателем. Скорости ленты и питателя согласованы так, чтобы обеспечить покусковую подачу материала. В приводном барабане конвейера расположен датчик (приемник излучения). Исполнительный механизм шиберного типа направляет кусок в сборник концентрата или в сборник хвостов. Сепаратор работает на материале крупностью 25-200 мм, скорость движения ленты 0,3-0,6 м/с, производительность до 25 т/ч.

Концентрат

Хвосты

Рисунок 28 - Авторадиометрический сепаратор 1 – радиометр; 2 – конвейер; 3 – датчик; 4 – экран; 5 – шибер; 6 – электромагнит

Радиометрическое обогащение

Дробление

Руда

Грохочение

–25+0

Промывка

Грохочение

–250+80

–50+25

–80+50

Рисунок 29 - Схема авторадиометрического обогащения урановой руды

Концентрат

Концентрат

Хвосты

Концентрат

Хвосты

Концентрат

Хвосты

Например, авторадиометрический сепаратор КН (Рисунок 28) с автоматической коррекцией массы кусков работает следующим образом. Виброжелоб подает куски руды на конический питатель, при вращении которого они выстраиваются в ряд и попадают на короткий ленточный конвейер, откуда, свободно падая, направляются в зону измерения. Подход куска к датчику фиксируется фотоэлементом. Время затемнения фотоэлемента куском руды характеризует его размер. Результат измерения подается в счетную схему радиометра для корректировки уровня настройки сепаратора. Интенсивность излучения куска измеряется сцинтилляционным датчиком. В качестве исполнительного механизма используется трехдюзный пневмоклапан, включаемый по сигналу радиометра во время прохождения куска перед соплом клапана. Время дутья клапана зависит от размера куска. Производительность сепаратора по классу –200+50 мм достигает 20-50 т/ч при расходе электроэнергии 3 кВт×ч. На Рисунок 29 приведена схема обогащения урановой руды.

Данный метод основан на измерении интенсивности искусственно наведенного излучения. Характер первичного излучения фиксирует­ся датчиком различий.

При фотонейтронной, или гамма-нейтронной, сепарации исход­ный материал подвергается облучению гамма-квантами определен­ной энергии с последующим разделением кусков руды по интенсив­ности потока нейтронов. Для возбуждения реакции могут быть применены как изотопные источники гамма-излучения, так и ускорители электронов.

При прохождении через вещество гамма-излучение, представ­ляющее собой электромагнитные волны, взаимодействует с атома­ми вещества, т.е. электронами и атомными ядрами. Взаимодействие гамма-излучения с веществом проявляется в следующих формах:

- фотоядерная реакция;

- фотоэффект;

- эффект Комптона;

- образование электронно-позитронных пар.

Вероятность протекания какого-либо из перечисленных процессов зависит от энергии гамма-излучения. Фотоядерные реакции (γ, n), (γ, р) и (γ, α), т.е. реакции с образованием нейтронов, протонов или аль­фа-частиц, называемые также ядерным фотоэффектом, протекают под действием гамма-излучения больших энергий. Протоны и аль­фа-частицы, обладая большой массой и зарядом, имеют низкую проникающую способность и практически не покидают объем облу­чаемого полезного ископаемого. Поэтому для радиометрического обогащения интерес представляет лишь реакция с испусканием нейтронов.

Метод радиометрического обогащения, основанный на исполь­зовании различий в регистрируемой плотности потока нейтро­нов, возникающих при облучении гамма-квантами объемов полезно­го ископаемого, называется фотонейтронным. Разделение про­дуктов производится по плотности потока нейтронов.

Необходимым условием для осуществления фотоядерной реакции является превышение энергии гамма-кванта Е_γ над энергией отделе­ния нейтронов E_n т.е. Е_γ>Е_n. Полное число образующихся фотоней­тронов зависит от активности источника i, сечения фотоядерной ре­акции σ_ф.я., расстояния от источника r, полного коэффициента ослаб­ления гамма-излучения μ и содержания химического элемента С, вступающего в реакцию. В случае точечного источника монохрома­тических гамма-квантов число нейтронов, образующихся в секунду в единице объема вещества на расстоянии r, равно:

где n₀ - число ядер в единице объема химически чистого расщепляе­мого вещества.

Каждый химический элемент характеризуется определенным по­рогом реакции (γ, n) и ее эффективным сечением σ_фя. Минимальный порог фотонейтронных реакций имеют бериллий и дейтерий, а наи­больший - углерод (18,7 МэВ) и гелий (20 МэВ). Для большей части остальных химических элементов пороговая энергия находится в диапазоне 6... 16 МэВ.

Сечение фотоядерного эффекта определяется по формуле

где α – коэффициент, изменяющийся от 1,5 до 3 и зависящий от обменных свойств ядер.

Сечение реакции (γ, n) с возрастанием энергии гамма-квантов сначала увеличивается до некоторого максимального значения (об­ласть резонанса), а затем опять уменьшается.

Таким образом, мощность потока нейтронов зависит от активно­сти источника и содержания определяемого элемента в куске, а эф­фективность регистрации потока нейтронов определяется применяе­мыми детекторами и их расположением.

Схемы обогащения бериллиевых руд мало отличаются от схем обо­гащения урановых руд. Они так же включают дробление руды до крупности 200 мм, грохочение руды, промывку и сепарацию материа­ла крупнее 25 мм. Выход хвостов зависит от гранулометрической ха­рактеристики руды и ее контрастности, и составляет 49...63,3 % от се­парируемого материала. Потери бериллия не превышают 3,14...12,6 %. В настоящее время гамма-нейтронный метод получил применение только для бериллиевых руд. Это связано с тем, что для бериллиевых руд имеет место высокая избирательность реакции (γ, n):

⁹Be + γ = ⁸Be + ¹n

Энергетический порог этой реакции составляет 1,66 МэВ, а сле­дующий элемент дейтерий, дающий реакцию (γ, и), имеет порог ре­акции 2,2 МэВ. Для всех остальных элементов этот порог превышает 6 МэВ, поэтому гамма-лучи в диапазоне энергии больше 1,66 МэВ и меньше 2,2 МэВ будут вызывать фотоядерную реакцию только на ядрах бериллия. Низкий энергетический порог этой реакция позволя­ет использовать в качестве источника гамма-лучей ампульный ра­диоактивный изотоп сурьмы ¹²⁴Sb. Сечение реакции (γ, п) на берил­лий мало (8 = 10~³ барн, 1 барн = 10~²⁸ м²). В связи с этим замер излу­чения необходимо вести в течение 1...3 с. Это требует применения весьма активного источника гамма-лучей и совершенствования кон­струкции сепаратора.

У нас выпускают три типа фотонейтронных сепараторов (Таблица 4 - Фотонейтронные сепараторы).

Таблица 4 - Фотонейтронные сепараторы

Сепаратор	Толщина слоя вещества d, мм	Производительность Q, т/ч
РМБ-300	200-75	10-15
РБМ-100	75-25	1-3
РАБЛ-100	75-25	1-3
Примечание. Исполнительный механизм – пневмоклапан.

На одном отечественном бериллиевом месторождении установка радиометрического метода обогащения позволяет выделить 60 % товарной руды при извлечении до 91 % металла. При этом в отвал выводится 20 % хвостов с поте­рями 2,1 %. Одновременно выделяется и складируется 20 % некон­диционной руды.