656 |
Р. Лайкс |
в) цифровой или аналоговый считывающий прибор, который обычно представляет собой микрокомпьютер. Компьютер управляет работой калориметра, сбором и хранением данных и осуществляет анализ данных;
г) электрические или радиоизотопные градуировочные образцовые источники теплоты. Электрические измерения используются для определения разностей температур и для управления схемами электрических нагревателей, имитирующих мощность образца. Кроме того, могут быть предусмотрены радиоизотопные образцовые источники теплоты для градуировки и определения тепловой мощности систем.
22.1.2 Рассмотрение конструкции калориметров
При проектировании прибора для проведения калориметрического анализа решающее влияние на конструкцию оказывают многие важные факторы. Невозможно создать единый универсальный калориметр, который был бы применим ко всем задачам измерений. В этом разделе приводятся некоторые факторы, оказывающие влияние на конструкцию калориметра:
à) Размер образца. Физический размер образца предопределяет размеры камеры для образца. Плотный тепловой контакт образца с калориметром существенен для минимизации времени анализа. Диаметры камер для образца существующих калориметров находятся в диапазоне от 1 до 30 см.
á) Тепловая мощность образца. В общем случае для образцов высокой мощности требуются низкочувствительные калориметры с низким тепловым сопротивлением, а для образцов малой мощности — высокочувствительные микрокалориметры с высоким тепловым сопротивлением.
â) Градуировка. Конструкция калориметра зависит от метода градуировки, т.е. используются ли для этого радиоизотопные или электрические образцовые источники теплоты.
ã) Конструкционные материалы. Теплоемкость и теплопроводность материалов, используемых в конструкции калориметра, оказывают влияние на рабочие характеристики прибора.
ä) Производительность. Требуемое для анализа время оказывает влияние на выбор типа калориметра, метода работы с ним и определяет необходимое количе- ство калориметров.
å) Точность. При выборе типа калориметра и метода работы желаемая точ- ность анализа должна сопоставляться с требуемой производительностью и имеющейся производственной площадью.
æ) Условия использования. На конструкцию калориметра оказывает влияние рабочая окружающая среда и имеющаяся площадь для размещения калориметра. В заводских условиях непрерывного производства требуются конструкции, отли- чающиеся от конструкций для работы в лабораторных услови ях.
22.2НЕБОЛЬШИЕ КАЛОРИМЕТРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ
Небольшие калориметры могут использоваться в лабораториях аналитиче- ской химии для выполнения неразрушающего анализа небольших образцов плутония. Они могут использоваться для определения эффективной удельной мощности экспериментальным методом, при котором небольшие образцы плутония
Глава 22. Приборы для калориметрического анализа |
657 |
анализируются неразрушающим калориметрическим методом, а затем разрушающими химическими методами. Кроме того, небольшие калориметры являются средством оценки погрешностей пробоотбора.
22.2.1 Маундский аналитический калориметр
Аналитический калориметр Маундской лаборатории был разработан специально для использования в лаборатории аналитической химии [1]. Этот компактный прибор (рис. 22.1) предназначен для измерения образцов объемом до 5 см3 (около 10 г плутония). Калориметр включает в себя автоматический загрузчик образцов с положением для подготовки к достижению теплового равновесия и предназначен для установки внутри стандартного 90-сантиметрового перчаточ- ного бокса. Для образцов, выделяющих мощность 10 мВт, погрешность и сходимость результатов измерения лучше, чем 0,1 %. Данные о рабочих характеристиках аналитического калориметра приведены в табл. 22.1 [1, 2]. Значения погрешности и сходимости в граммах приведены для плутония низкого выгорания с эффективной удельной мощностью 2,3 мВт/г и хорошо известным изотопным составом.
Ðèñ. 22.1. Внешний вид разобранного Маундского аналитического кал ориметра для анализа небольших образцов плутония в стеклянных ампулах весом 2 г. (Фотография предоставлена Маундской лабораторией)
Таблица 22.1 — Рабочие характеристики Маундского аналитического калориметра для образцов с удельной мощностью 2,3 мВт/г и известным изотопным составом [1, 2]
Погрешность, г |
0,008 |
Сходимость, г |
0,008 |
Диапазон измерений |
|
масса, г |
0,4–10 |
тепловая мощность, мВт |
1–23 |
Чувствительность измерения в контейнере объемом 5 см3 |
|
масса, г |
0,4 |
тепловая мощность, мВт |
1 |
Время анализа, мин |
30–100 |
|
|
658 |
Р. Лайкс |
В аналитическом калориметре измерялось большое разнообразие содержащих плутоний материалов, включая металлы, оксиды и смеси оксидов. Затем они были растворены и проанализированы на содержание плутония. Сравнение полученных результатов показало, что калориметрический анализ является точ- ным и обеспечивает хорошую сходимость результатов.
22.2.2 Аргоннский калориметр для небольших образцов
Аргоннский калориметр для небольших образцов предназначен для анализа образцов смешанного оксидного топлива объемом до 6 см3 в форме таблеток, порошков и растворов [3, 4]. Его максимальная мощность составляет 45 мВт, что эквивалентно 20 г плутония низкого выгорания. Уникальной особенностью этой системы является ее портативность, полезная для проведения инспекций на объектах. На рис. 22.2 показаны два модуля, из которых состоит система: изотермиче- ский калориметр и модуль сбора данных. Общий вес прибора с оставляет 18 кг.
Ðèñ. 22.2. Аргоннский калориметр для небольших образцов (справа) и е го система сбора данных (слева). (Фотография предоставлена Аргоннской национа льной лабораторией)
Калориметр для небольших образцов является изотермическим градиентным мостовым калориметром. Он представляет собой "сухой" калориметр или калориметр с "воздушной камерой", в котором отсутствует теплоотводящая водяная ванна, как описано в разделе 21.5.4 и показано на рис. 21.7 главы 21. Для полу- чения хорошей точности эта конструкция требует работы прибора в режиме сервоконтроля постоянной температуры. Сведения о рабочих характеристиках калориметра для небольших образцов приведены в табл. 22.2 [4-6]. Сходимость результатов измерений калориметром составляет около 0,1 % при времени измерения