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Aplicación del análisis por activación neutrónica de gammas inmediatos en Cementos Lima

C. Zanabria, R. Medina, L.R. Gilvonio - Cementos Lima S.A. - M. Munive, O. Baltuano, J.L. Solis - Instituto Peruano de Energía Nuclear


Introducción

Los sondeos mecánicos son una herramienta muy importante en la exploración minera, pues permiten obtener muestras del subsuelo a diferentes profundidades. El principal problema es su representatividad. En el mejor de los casos, sondeos con recuperación de testigo continuo pueden no haber recuperado completamente la muestra. Las muestras son enviadas al laboratorio para realizar los análisis respectivos usando técnicas como fluorescencia de rayos X, absorción atómica, etc. Esto toma tiempo y puede producirse errores en los resultados como consecuencia de la manipulación y debido a que la masa de la muestra analizada es de algunos gramos. No obstante, es la información más valiosa sobre la mineralización, mientras no se llegue hasta ella mediante labores mineras.

Entre las diferentes técnicas para analizar las perforaciones se tiene el análisis por activación neutrónica de gammas inmediatos (Prompt Gamma Neutron Analysis Activation, PGNAA) que proporciona información cuantitativa «insitu» de la ley de mineral de interés (cobre, carbón, hierro, calcio, silicio, etc.) en tiempo real y en función de la profundidad de la perforación. Es una información que no es posible obtener mediante el análisis convencional de las perforaciones y ayuda a tener una mejor idea del mineral y mejorar la planificación de minado.

Comercialmente existen analizadores elementales en línea basados en la técnica PGNAA para el análisis de la materia prima que se usan en diferentes partes del proceso de cementos. Sin embargo, no existen trabajos sobre el uso de la técnica PGNAA para la caracterización de la caliza en cantera. En el presente trabajo se ha explorado la aplicación del análisis por activación neutrónica de gammas inmediatos en la cantera de Atocongo de Cementos Lima.



 Componentes del sistema SIROLOG.



Esquema de la sonda del sistema SIROLOG.

Análisis por Activación Neutrónica de Gammas Inmediatos

Es un método nuclear no destructivo de análisis elemental. Para este análisis el material se expone a un flujo de neutrones y como los neutrones carecen de carga eléctrica no sufren la acción de campos eléctricos ni magnéticos, por eso son capaces de atravesar grandes espesores del material. Cuando un neutrón choca con un átomo le cede parte de su energía mediante la acción de choques elásticos (se conserva la energía del sistema) e inelásticos (la energía del sistema se convierte en excitación interna del núcleo).

Neutrones rápidos son emitidos por una fuente de neutrones (252Cf), y son frenados por los múltiples choques elásticos hasta alcanzar una energía de 0.025 eV. Estos neutrones que tienen energías menores que 0.025 eV son conocidos como neutrones térmicos. La probabilidad de que se produzca una interacción inelástica de los neutrones térmicos con los núcleos es alta y el neutrón es absorbido produciendo un isótopo diferente. Este fenómeno es conocido como captura neutrónica y el núcleo excitado emite una radiación gamma de alta energía al retornar a un estado de equilibrio. La energía de la radiación gamma es específica al núcleo y el tipo de reacción nuclear. Si la intensidad y la energía se mide con un detector espectrométrico, entonces se puede determinar el elemento y la cantidad del mismo presente en la muestra. Los rayos gamma emitidos pueden ser clasificados como inmediatos, o retardados provenientes del decaimiento de la radioactividad inducida según el tiempo de vida media de la desintegración. La radiación gamma inmediata tiene una vida media de aproximado 10–13 s, mientras que la radiación gamma retardada se produce por el decaimiento radiactivo del isótopo excitado con un periodo de semidensintegración de segundos y horas, dependiendo del elemento. La reacción nuclear de captura neutrónica se expresa por:

  (1)

La técnica PGNAA es de rápida respuesta ya que los núcleos en estado de excitación presentan una vida media muy corta. Debido a que se logra identificar simultáneamente varios de los elementos presentes en una muestra, esta técnica tiene múltiples aplicaciones. Es un método nodestructivo de análisis que presenta una baja actividad residual y es flexible a los requerimientos de las muestras: es decir, la forma química y la geometría de la muestra son relativamente irrelevantes. Es por eso que esta técnica ha encontrado aplicaciones en sistemas de medida en línea y en el campo para determinar la calidad de la materia prima en la industria minera, también existen aplicaciones médicas, etc. En la Tabla 1 se muestra la sensibilidad de la técnica PGNAA.



Tabla 1. Sensiblidad de la técnica PGNAA. Tabla tomada de "OnLine Prompt Gamma Neutron Activation Analyzers, Published in the Process/Industrial Instrument and Controls Handbook, EditorGregory K. McMillan, Fifth Edition, McGraw Hill, 1999.

Este sistema se está usando en la industria minera desde 1994, inicialmente se usó para minas de carbón para estimar la calidad del carbón donde ha tenido gran éxito reduciendo los costos de la exploración.

Últimamente se está usando para minas de cobre, de hierro y zinc con excelentes resultados. Este método debido a que hace un muestreo de un gran volumen y provee un análisis en tiempo real es particularmente útil para el monitoreo geofísico en la producción de perforaciones de exploración y de voladura. La técnica PGNAA puede ser usada en las canteras de caliza debido a que las secciones eficaces de captura de los elementos mayoritarios de la caliza son apreciables (ver Tabla 2). La técnica ha logrado dar resultados de campo de la concentración de determinados elementos de interés (SiO2, SO3, Al2O3, Fe2O3, y CaO) para la industria cementera, lo cual puede reducir los costos de producción.

 



Tabla 2. Datos de la captura neutrónica para los mayores componentes de la Caliza.




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