Využití radioizotopů v průmyslu: Analýza a měření

Jaderné technologie stále častěji nacházejí využití v oblasti vědy, průmyslu a ochrany životního prostředí. Stabilní nepřetržitá analýza, rychlé vyhodnocení a rozmanitost izotopů umožňuje širokou škálu spolehlivého využití, kdy data mohou být nepřetržitě k dispozici. Výsledkem jsou nižší náklady na zvýšení produktové jakosti.

Analýza pomocí neutronů

Neutrony vzniklé ve výzkumném reaktoru reagují s atomy vzorku a způsobí emisi záření gama s charakteristickou energií a intenzitou. Podle vlastností vzniklého záření lze analyzovat typ a množství přítomných prvků ve vzorku. Mezi dvě hlavní techniky patří snímání pomocí tepelných neutronů (TNC) a nepružný rozptyl neutronů (NIS). TNC je založeno na absorpci neutronu jádrem atomu a NIS na srážce rychlého neutronu s jádrem.

Většina komerčních analyzátorů používá jako neutronový zdroj Kalifornium (Cf-252) spolu s detektorem z jodidu sodného, který je citlivý na TNC reakce. Jiné používají zdroje Americium/Beryllium (Am-241/Be) spolu s bismuth-germaniovým detektorem, který dokáží registrovat TNC i NIS. NIS jsou obzvlášť vhodné pro materiály založené na prvcích C, O, Al a Si (prvky vyskytující se ve velkém zastoupení v přírodě), které mají nízký mikroskopický průřez pro absorpci neutronů. Tato zařízení se často používají pro online měření umístěné např. na pásu v cementárnách a v uhelném průmyslu.

Speciálním využitím NIS je implementace neutronového zdroje do měřící sondy, která se umístí do vyvrtaného otvoru a při interakcí neutronů s materiálem dochází k rozptylu záření. Nejlepší rozptyl probíhá na molekule vodíku, který je součástí půdy a proto se Am-241/Be zářiče používají pro měření hustoty půdy a stanovení koncentrace vody.

Techniky rentgenové a gama analýzy

Šíření záření gama či jeho rozptyl může být uplatněn pro kontinuální analýzu podílu popela v uhlí na dopravním pásu (stanovení kvality uhlí). Interakce gama záření jsou závislé na atomovém čísle prvku a právě popel má vyšší atomové číslo, než hořlavé složky uhlí. Obsah popela v uhlí lze měřit i pomocí nepružného rozptylu záření (Comptonova profilová analýza).

Při průchodu urychlených elektronů (beta záření) těžkým materiálem (např. kov) dochází ke vzniku brzdného záření (rentgenové záření). Vzniklé rentgenové paprsky mohou vyvolat rentgenovou fluorescenci (vznik záření) neradioaktivních materiálů. Analýzou energie rentgenového fluorescenčního záření lze identifikovat současně všechny prvky obsažené v materiálu. Jde o spektrometrickou metodu studia povrchu materiálu.

Tento způsob se také využívá pro stanovení průběžné koncentrace u materiálových zahušťovadel (koncentrátorů). Sonda obsahující zdroj radioizotopů a detektor se ponoří přímo do analyzované směsi. Zpracováním signálu ze sondy se získává nepřetržité sledování koncentrace složek a hustoty směsi. Nejčastěji se tento způsob používá pro analýzu železa, niklu, mědi, zinku, cínu a olova.

Další metodou on-line analýzy je rentgenová difrakce, která ale nepoužívá radioizotopy.

Radiografie (gama záření)

Radiografie funguje v podstatě stejným způsobem jako rentgenová kontrola zavazadel na letištích. Na rozdíl od těchto objemných zařízení, stačí pro vznik účinného gama záření malá peletka radioaktivního materiálu v uzavřené titanové kapsli.

Kapsle se umístí na jednu stranu zkoumaného objektu a na druhou stranu (za objekt) se umístí některý typ fotografického filmu. Gama záření, tak jako rentgenové paprsky, projde objektem a vytvoří na filmu obraz. Stejně jako rentgenové paprsky dokáže radiografie zobrazit zlomeninu kosti, nedostatky v kovových odlitcích nebo poruchy svařovaných spojů. Tato technika umožňuje nedestruktivní diagnostiku kritických komponent zařízení.

Zdroje gama záření jsou zpravidla kompaktnější než rentgenové, proto se více hodí pro použití na vzdálených či hůře přístupných místech. Na rozdíl od rentgenu, který vyzařuje široké spektrum záření, zdroje gama emitují pouze několik diskrétních vlnových délek. Záření gama dosahuje také mnohem vyšších energií než nejdražší rentgeny, což je velkou výhodou (detailnější a kvalitnější obraz). V případě že je potřeba kontrola svaru na plynové nebo olejové trubce, obalí se zvenku okolo svaru speciální fólie. Zařízení nazývané „pipe crawler“ má zabudovaný stíněný zdroj záření, který se přiloží k vnitřní stěně trubky do místa svaru. Radioaktivní zdroj je ovládán dálkově a kontroluje svary v běžně nepřístupných místech. Po prozáření je výsledek zobrazen na přiložené fólii.

Rentgenové zdroje lze využívat pouze v místech, kde je k dispozici zdroj elektrické energie a sledovaný objekt může být umístěn do rentgenového zařízení pro vyhotovení snímku. Radioizotopové zdroje mají obrovskou výhodu v tom, že nepotřebují externí napájení, a tak s nimi lze pracovat téměř kdekoliv. Nicméně nemohou být jednoduše vypnuty a musí být řádně stíněny jak v době použití, tak i v době skladování a přepravy.

Nedestruktivní diagnostika gama radiografií je využívána pro kontrolu řady výrobků a materiálů. Například hojně používaný radioizotop ytterbia (Yb-169) slouží ke kontrole oceli do tloušťky 15 mm a lehkých slitin do 45 mm, zatímco iridium (Ir-192) dokáže analyzovat ocel o síle 12-60 mm a lehké slitiny až do 190 mm.

Měření

Záření, které pochází z radioizotopických zdrojů, snižuje na cestě k detektoru svoji energii. Velikost snížení energie závisí na množství a vlastnostech materiálu, kterým prochází. Detektor vyhodnocuje míru snížení této energie. Tento princip může být použit pro zjištění přítomnosti objektů (např. trhlin) nebo i pro měření množství nebo hustoty materiálu mezi zdrojem a detektorem. Výhodou měření je, že nedochází ke kontaktu materiálu s měřícím zařízením.

Mnoho procesů ve zpracovatelském průmyslu využívá kontrolu pomocí stabilních měřidel pro sledování a řízení toku materiálu v potrubích či destilačních kolonách založených na zdroji gama paprsků.

Kupříkladu výška uhlí v zásobníku může být stanovena pomocí vysoce energetického zdroje gama záření v různých výškách podél jedné strany zásobníku a detektorů umístěných podél druhé strany, které registrují změnu intenzity dopadajícího záření v závislosti na úrovni uhlí v násypce. Tato úrovňová měřidla jsou nejčastějším využitím radioizotopů v průmyslu.

Některé stroje, které vyrábějí plastové fólie, používají pro kalibraci zdroj beta částic pro měření tloušťky plastové fólie. Při měření se může fólie pohybovat mezi zdrojem a detektorem vysokou rychlostí.

Ve výrobně papíru se beta měřidla používají pro sledování síly papíru, který se pohybuje přes měření rychlostí až 400m/s.

Když je intenzita záření snížena hmotou materiálu, určitá část paprsku je rozptýlena zpět ke zdroji záření. Množství „zpětně odraženého“ záření je závislé na množství a struktuře materiálu na dopravníku. Nejčastěji se toto měření používá pro stanovování tloušťky různých materiálů.

Co to jsou radioizotopy?

Mnoho chemických prvků disponuje izotopy. Atom v neutrálním stavu má počet vnějších elektronů roven atomovému číslu. Tyto elektrony definují chemické vlastnosti atomu. Atomová hmotnost je součet hmotnosti protonů a neutronů. V současnosti je známo 82 stabilních chemických prvků a asi 275 stabilních izotopů těchto prvků.

Izotopy – jsou to atomy jednoho prvku se stejným počtem protonů, které se však liší počtem neutronů. Díky tomu mají i rozdílné hmotnosti.

Pokud se poměr neutronů a protonů uměle změní, vznikne nestabilní atom. Tento atom se nazývá radioaktivním izotopem nebo radioizotopem. Existuje také celá řada nestabilních přírodních izotopů vzniklých z rozpadu prvotního uranu či thoria. Celkově jde přibližně o 1800 různých radioizotopů.

V současnosti je asi 200 radioizotopů průmyslově využíváno a musí se vyrábět uměle.

Výroba může probíhat několika způsoby. Nejběžnější je výroba radioizotopu aktivací neutronem v jaderném reaktoru. Neutron je zachycen jádrem atomu, což vede k neutronovému přebytku.

Některé radioizotopy se vyrábějí v cyklotronu, ve kterém jsou do jádra atomu zavedeny protony a vzniká tak atom s nedostatkem neutronů.

Jádro s izotopem se dle přírodních zákonů snaží dostat do stabilního stavu tím, že emituje alfa či beta částice. Tyto částice jsou většinou doprovázeny emisí elektromagnetického záření gama. Tento proces je nazýván radioaktivním rozpadem gama.

Užitečné vlastnosti radioizotopů: radioaktivní emise lze snadno detekovat a sledovat až do jejich úplného zániku. Beta a gama záření může procházet pevnými materiály a postupně jimi být pohlcovány. Účinnost penetrace závisí především na energii záření, hmotnosti částice a hustotě pevné látky.

Zdroj úvodní fotografie: Texas A&M University