Методы концентрирования и разделения радионуклидов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Ю. В. Егоров, 
Н. Д. Бетенеков, В. Д. Пузако

Методы концентрирования 
и разделения радионуклидов

Учебно-методическое пособие

Под общей редакцией д-ра хим. наук, проф. Ю. В. Егорова

Рекомендовано 
методическим советом УрФУ для студентов, 
обучающихся по направлению подготовки 
250900 — Химическая технология материалов 
современной энергетики

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 621.039.3(075.8)
ББК 35.364.03я73
          Е30
Рецензенты:
директор Института промышленной экологии УрО РАН, д-р техн. наук 
М. В. Жуковский;
заместитель директора Института химии твердого тела УрО РАН по научной работе, д-р хим. наук Е. В. Поляков

 
Егоров, Ю. В.
Е30    Методы концентрирования и разделения радионуклидов : учебно-методическое пособие / Ю. В. Егоров, Н. Д. Бетенеков, В. Д. Пузако. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 128 с.

ISBN 978-5-7996-1834-6

Учебно-методическое пособие предназначено в помощь студентам при освоении теоретического курса и выполнении лабораторных работ. Текст включает вопросы для проверки знаний и списки рекомендуемой литературы, содержит 
рекомендации по выбору специфических и селективных сорбентов и экстрагентов для осуществления операций выделения, разделения и концентрирования радиоактивных компонентов, находящихся в растворах с низкой концентрацией.
Пособие предназначено для студентов дневной формы обучения физико-технологических специальностей по курсу «Основы ядерной физики, радиохимии 
и дозиметрии».

Библиогр.: 99 назв. Табл. 16. Рис. 21.
УДК 621.039.3(075.8)
ББК 35.364.03я73

ISBN 978-5-7996-1834-6 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Учебное издание

Егоров Юрий Вячеславович, Бетенеков Николай Дмитриевич, Пузако Виталий Дмитриевич

МЕтоды концЕнтрироВания и раздЕлЕния радионуклидоВ

Редактор О. С. Смирнова
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 31.10.2016. Формат 70×100/16. Бумага писчая. Печать цифровая. Гарнитура Newton.
Уч.-изд. л. 6,5. Усл. печ. л. 10,3. Тираж 50 экз. Заказ 357

Издательство Уральского университета 
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: 8(343)375-48-25, 375-46-85, 374-19-41. E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620075, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: 8(343) 350-56-64, 350-90-13. Факс: 8(343) 358-93-06
E-mail: press-urfu@mail.ru

Оглавление

Предисловие.....................................................................................................4

1. Разделение урана и тория с помощью тонкослойных 
     неорганических сорбентов ..........................................................................9

2. Извлечение цезия из растворов солей его аналогов 
     и их разделение с помощью неорганических сорбентов .......................... 30

3. Исследование состояния 90
234Th(UX1) в водном растворе 
     сорбционным методом .............................................................................. 59

4. Применение изотопных генераторов для получения 
     короткоживущих радионуклидов .............................................................. 66

5. Разделение радионуклидов методами соосаждения 
     и тонкослойной хроматографии ................................................................ 70

6. Экспрессный радиохимический анализ водных сред 
     с применением сорбционного концентрирования................................... 80

7. Разделение радионуклидов методом экстрационной хроматографии ..... 93

8. Разделение радионуклидов методом ионообменной хроматографии. 
     Разделение радионуклидов ториевого ряда ............................................ 102

9. Разделение церия и празеодима .............................................................. 112

Предисловие

1. Содержание и особенности практикумов 
по курсу «Основы ядерной физики, радиохимии  
и дозиметрии» в VII–VIII семестрах
П

рактикумы по курсу «Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии» в VII — VIII семестрах имеют следующие особенности: большой объем работы с радионуклидами в открытом виде; выполняемые лабораторные работы охватывают 
материал, читаемый в части II курса «Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии»; практикум имеет обязательную для всех студентов учебно-исследовательскую часть, завершающую радиохимическую подготовку студентов.
Эти особенности накладывают свой отпечаток и на содержание 
практикумов: они начинаются с детального знакомства с основными санитарными правилами работы с источниками ионизирующих 
излучений (ОСП-96/2010) и нормами радиационной безопасности 
(НРБ-96/2009), затем идет так называемая «стандартная часть» практикума. К учебно-исследовательской работе студент допускается только 
после выполнения всех задач стандартного практикума и приобретения необходимых навыков работы с радионуклидами в открытом виде.

2. Выполнение лабораторных работ  
стандартного практикума в VII семестре

К прохождению стандартного практикума допускаются студенты, посетившие инструктаж — занятие по ознакомлению 
с ОСП-96/2010 и показавшие удовлетворительные знания матери

2. Выполнение лабораторных работ стандартного практикума в VII семестре 

ала I и II частей курса радиохимии (выполнение контрольной работы). При пропуске занятия студент самостоятельно знакомится 
с необходимыми документами (НРБ-96/2009, ОСП-96/2010, кафедральные инструкции), после чего проходит собеседование с преподавателем и выполняет контрольную работу. При подготовке к коллоквиуму следует иметь в виду следующее. Описание лабораторной 
работы содержит, как правило, минимально необходимые сведения 
для квалифицированного выполнения работы. Однако в описаниях 
сознательно опущены те разделы, которые подробно освещались в I 
части курса. Так, например, в работе может быть только упомянут 
конкретный радионуклид, с помощью которого выполняется эксперимент. Студент в этом случае самостоятельно, с помощью справочника, находит характеристики (период полураспада, тип и энергию 
излучения, схему распада), на основании которых оценивает целесообразность предлагаемой методики измерения, или обоснованно 
предлагает свой вариант. Аналогичное замечание относится к числу 
и продолжительности измерений фона установки и активности получаемых препаратов. Эти параметры определяются самостоятельно 
каждым студентом исходя из того, что погрешность прямых измерений не должна превышать 5 % для 95 % доверительной вероятности. 
Если это требование трудновыполнимо, то вопрос о допустимой величине погрешности решается совместно с преподавателем.
В том случае, когда лабораторная работа охватывает материал, 
еще не освещенный подробно в лекционных курсах, обязательным 
является использование литературы в соответствии с прилагаемым 
списком.
Коллоквиум по лабораторной работе проходит в форме индивидуальной беседы с преподавателем, а его результаты оцениваются по пятибалльной системе. До сдачи коллоквиума студент предъявляет отчет 
о предыдущей работе. После сдачи коллоквиума студент допускается 
к индивидуальному выполнению лабораторной работы. Прежде чем 
начать экспериментальную часть, студент обязан убедиться, что его 
рабочее место оборудовано в соответствии с ОСП-96/2010 и содержит 
все необходимое для выполнения работы. Все возникшие при этом вопросы разрешаются совместно с преподавателем.
Запрещается перенос оборудования, реактивов и особенно посуды 
(стаканы, пробирки, пипетки, бюретки и т. п.) с одного рабочего места на другое без разрешения преподавателя, так как это может при

Предисловие

вести к ошибочным результатам вследствие появления неконтролируемой примеси постороннего радионуклида.
Важную роль при выполнении радиохимического эксперимента 
играет правильное ведение первичной научной документации. Для 
студента таким документом является рабочий журнал. В журнале должен быть отражен весь ход выполнения лабораторной работы в виде 
записей последовательности операций и их результатов. Все промежуточные расчеты (определение необходимой продолжительности измерений активности, нахождение погрешностей прямых измерений 
и косвенных величин, расчет различных вспомогательных параметров и т. п.) обязательно должны фиксироваться в рабочем журнале. 
Для ведения рабочего журнала достаточно ученической тетради (18–
24 листа). После окончания работы журнал предъявляется преподавателю, подписывается им и оценивается по пятибалльной системе. 
В любом спорном случае, касающемся результатов лабораторной работы, основным и единственным арбитражным документом является рабочий журнал.
На основании записей в рабочем журнале студенты составляют 
в виде отдельного документа отчет о выполненной работе в соответствии с ГОСТ 7.32–81 (Отчет о научно-исследовательской работе), 
обращая особое внимание на последовательность изложения, рубрикацию разделов, оформление рисунков и таблиц, ссылок на использованную литературу. Особое внимание обращается на раздел, посвященный оценке эксперимента, и раздел, касающийся истолкования 
экспериментальных данных. Общая продолжительность стандартного практикума 8–9 недель.

3. Выполнение учебно-исследовательской работы (УИРС)  
в VIII семестре

Учебно-исследовательская работа является заключительной фазой 
лабораторного радиохимического практикума, обязательной для всех 
студентов. Ее цель — помочь студенту закрепить полученные в лекционных курсах знания путем творческого, самостоятельного решения небольшой научной задачи. Подготовка к выполнению УИР начинается за 1–1,5 месяца до окончания стандартного практикума. 

3. Выполнение учебно-исследовательской работы (УИРС) в VIII семестре 

Каждый студент получает индивидуальное задание на УИР, в котором кратко сформулирована предлагаемая задача, перечислены возможные в условиях лаборатории методы исследования и указана основная литература. Ознакомившись с рекомендованной литературой, 
студент составляет литературный обзор, в котором приводит сведения, необходимые для обстоятельной аргументации цели предстоящего исследования.
Объем литературного обзора не ограничивается, однако крайностей надо избегать. Одинаково плохи как чрезвычайно короткий 
обзор, так и обзор, представляющий сводку добросовестно переписанных первоисточников. Литературный обзор должен давать 
представление о собственном понимании проблемы, подкрепленным анализом литературных источников. В конце литературного 
обзора как его итог должна быть четко сформулирована конкретная 
задача исследования. Следующей стадией подготовки к работе являются составление общего плана экспериментальной работы, выбор 
методики и определение уровня активности на рабочем месте путем 
проведения предварительных расчетов. План эксперимента должен 
быть расписан в соответствии с числом занятий (7–9), отведенных 
для УИР, методика эксперимента выбирается с учетом аппаратурных 
возможностей кафедры, а расчет активности на рабочем месте выполняется для конкретного радионуклида и принятого способа измерения активности препаратов. Результаты проверяются преподавателем на соответствие требованиям НРБ-96/2009 для внеклассной 
работы с радионуклидами. Все предварительные выкладки и расчеты заносятся в рабочий журнал.
Практическое выполнение УИР начинается с организации рабочего места и проводится под непосредственным контролем со стороны руководителя УИР.
Результаты каждого занятия обрабатываются и обсуждаются с руководителем для решения вопроса о конкретном содержании следующего занятия.
После окончания УИР составляется подробный отчет о выполненной работе в соответствии с ГОСТ 7.32–81. Отчет вместе с рабочим 
журналом сдается преподавателю и, после проверки, результаты работы докладываются студентом на заседании комиссии кафедры по приему отчетов. После защиты отчет и рабочий журнал остаются на кафедре.

Предисловие

При составлении отчета следует иметь в виду, что ни одна сколько-нибудь важная экспериментально найденная величина не должна даваться без оценки погрешности ее определения. Это относится как к результатам прямых измерений активности препаратов, так 
и ко всем величинам, которые получают в результате последующих 
расчетов. Без раздела, посвященного оценке погрешностей результатов, отчеты по УИР к защите не допускаются.
Лучшие работы по рекомендации комиссии выдвигаются на конкурсы студенческих работ.

1. Разделение урана и тория  
с помощью тонкослойных неорганических 
сорбентов

1.1. Общие положения
У

ран и торий являются наиболее распространенными природными радиоактивными элементами. Три естественных, т. е. 
встречающихся в природе, изотопа урана входят в состав двух 
радиоактивных семейств: U-234 и U-238 находятся в семействе 4n+2, 
а U-235 — в семействе 4n+3. Один из самых долгоживущих природных изотопов Th-232 возглавляет семейство 4n+0. Другие природные 
изотопы тория (Th-234, Th-230) находятся в составе семейства урана — 
радия (4n+2). Больше естественных изотопов урана и тория не существует. Кларки урана и тория по данным А. П. Виноградова равны соответственно 2,5·10–4 % и 1,3·10–3 % [1].
В настоящее время основным «ядерным горючим» является уран. 
Торий можно рассматривать в качестве резервного источника энергии, если с помощью ядерно-химических процессов получать из него 
отсутствующий в природе U-233:

232
233
233
233
Th
Th
Pa
U
+
®
®
®

n

b
b

.

Период полураспада U-233 1,6·10 5 лет, поэтому его вполне можно получать и заготавливать впрок. Этот изотоп обладает способностью делиться на тепловых нейтронах с выделением энергии подобно U-235 и Pu-239.

Известны также другие искусственные изотопы урана и тория: 
от U-230 до U-240 и от Th-226 до Th-231. В подавляющем большин

1. Разделение урана и тория с помощью тонкослойных неорганических сорбентов 

стве это a- и b-излучатели (при этом не следует забывать о сопровождающем g-излучении).
К урану, который используется в ядерно-энергетических процессах, предъявляются жесткие требования в отношении химической 
чистоты. Задача осложняется тем, что технология урана практически всегда была связана с переработкой полиметаллических руд: богатые урановые месторождения в настоящее время большая редкость. 
Более того, можно утверждать, что со временем человечество обратится к еще более бедным месторождениям; не исключено, что источником получения урана в будущем может стать Мировой океан, 
в котором содержится 10 10 т урана (15·10–2 % от находящегося в разведанной геосфере).
Таким образом, значение задачи извлечения урана из сложных 
по составу сред, в частности из растворов различного происхождения, будет со временем только возрастать. И в целом будет возрастать роль гидрометаллургических операций разделения, выделения, 
концентрирования и более специальных — обогащения и аффинажа 
(если техническая революция и развитие энергетической базы не выведут вперед электрохимию расплавов и методы газовой химии, основанные на использовании различной летучести соединений). Эти 
операции неизбежно станут ключевыми в любых экологизированных 
гидрометаллургических технологиях будущего, которые будут связаны, конечно, не только с ураном, но и с большинством элементов периодической системы.
В данной лабораторной работе предлагается разделить уран и торий, 
часто сопровождающий уран в природных месторождениях. Кроме 
того, подобная задача (только в этом случае торий будет преобладающим элементом, а уран — на уровне микрокомпонента, или «примеси») встречается как в технологии природного тория, так и в технологии искусственного U-233.

Для выполнения лабораторной работы необходимо достаточное 
знакомство с химическими свойствами соединений урана и тория, 
а также знание основных закономерностей и терминологии межфазного распределения.

1.2. Очерк химических свойств урана и тория,  имеющих значение для гидрометаллургических процессов

1.2. Очерк химических свойств урана и тория,  
имеющих значение для гидрометаллургических процессов

1.2.1. Общие замечания

Уран обладает более обширным перечнем химических соединений вследствие того, что он (противоположно торию) характеризуется несколькими степенями окисления. Например, в водных растворах 
существуют достаточно устойчивые его соединения, где уран находится в степенях окисления +3, +4, +5 и +6. А в твердой фазе, расплавах 
и в газообразном состоянии химические свойства урана еще разнообразнее (известна степень окисления +2 и обнаружены нецелочисленные степени окисления [2, с. 232; 3]). В то же время торий в растворах 
присутствует в составе соединений, где он проявляет единственную 
степень окисления +4. И уран в различных степенях окисления, и торий образуют большое число растворимых соединений, в том числе 
комплексных, и плохо растворимых, которые имеют технологическое 
значение, т. е. могут применяться в процессах обогащения, разделения, выделения, аффинажа.

1.2.2. Уран

В водных растворах наиболее устойчивы соединения, где уран находится в степенях окисления +4, в особенности +6. В степени окисления +3 он проявляет свойства сильного восстановителя, разлагает 
воду с образованием водорода; при этом уран окисляется:

U III
U IV
(
) ®
(
)

Уран в степени окисления +5 склонен к диспропорционированию 
и устойчивых растворов не образует:

U V
U IV  + U VI
( ) ®
(
)
(
)

Все гидроксиды урана — U(OH)з, U(OH)4, UO2(OH)2 — плохо растворимы. К плохо растворимым солям урана (во всех степенях окисления) относятся фосфаты, средние карбонаты и оксалаты. Среди 
фторидов плохо растворимы UFз и UF4, а UO2F2 обладает заметной рас