Аналитический контроль в ядерной энергетике


Масс-спектрометрический анализ, по сути дела, возник из-за потребностей ядерной энергетики в 40-е годы XX столетия. У истоков рождения масс-спектрометрического анализа стоял завод МАТ (Mess Analysen-Technik) в Бремене / Германия, который и теперь под именем Thermo Finnigan MAT (Thermo Electron Scientific Instruments Division) является флагманом в разработках и производстве масс-спектрометров для анализа изотопного и элементного состава, широко применяемых во всех отраслях ядерной энергетики во всем мире.
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки, производство, переработка, утилизация, хранение, контроль окружающей среды и риска для здоровья людей требуют постоянной оценки состава, активности и токсичности расщепляющихся и сопутствующих материалов. Наряду с дозиметрическими методами, изотoпная и элементная масс-спектрометрия занимает здесь важнейшее место как единственный метод, позволяющий однозначно определить элементный состав материалов и соотношение изотопов элементов, составляющих эти материалы.
Основные применения изотопной и элементной масс-спектрометрии в различных аспектах ядерной энергетики можно разделить на следующие темы, каждая из которых может быть также отнесена к категории, называемой «ядерной безопасностью»:

1. Разработка и производство ядерного топлива
2. Переработка вторичного ядерного топлива для повторного использования
3. Хранение отходов ядерных материалов
4. Установление источников происхождения расщепляющихся материалов
5. Контроль окружающей среды
6. Контроль воздействия расщепляющихся материалов на живые организмы

Далее в тексте используются следующие сокращения:
МС — масс-спектрометр
ИСП/МС — масс-спектрометр с ионизацией в идуктивно0связанной плазме
МК-ИСП/МС — многоколлекторный масс-спектрометр с ионизацией в индуктивно-связанной плазме
ТИМС — термоионизационный масс-спектрометнр

Подробнее:

1. Разработка и производство ядерного топлива

Примеси посторонних элементов и изотопный состав расщепляющихся материалов являются основными показателями качества и оказывают решающее воздействие на технологические режимы их производства и определяют их операционные характеристики и стоимость.
Масс-спектрометрия как метод анализа изотопного и элементного состава в этой области является основополагающим методом. На всех предприятиях мира, занятых производством расщепляющихся материалов задействованы сотни масс-спектрометров, круглосуточно анализирующих изотопный состав промежуточных продуктов и конечной продукции. В основном здесь используются два вида приборов — специализированные масс-спектрометры для анализа изотопных отношений гексафторида урана (Finnigan MAT 281), с высокой точностью и надежностью проводящие рутинные измерения как в лабораторных, так и в производственных условиях в газах, и термоионизационные масс-спектрометры — ТИМС — (Finnigan TRITON TI), позволяющие в лабораторных условиях получать высочайшие точности при анализе изотопного состава урана, плутония и других материалов через растворы металлов или их оксидов. В последние время все большее распространение получает метод многоколлекторной масс-спектрометрии с ионизацией в индуктивно-связанной плазме — МК-ИСП/МС — (Finnigan NEPTUNE), позволяющий упростить этапы подготовки пробы и ускорить анализ при возможности достижения точностных характеристик, приближающихся к термоионизационной или газовой масс-спектрометрии с ионизацией электронным ударом.
Масс-спектрометры для элементного анализа — с ионизацией в индуктивно-связанной плазме и регистрацией на одиночном коллекторе- ИСП/МС — (Finnigan ELEMENT2) позволяют на сверхследовом уровне определить примеси в ядерном топливе.
2. Переработка вторичного ядерного топлива для повторного использования
Повторное использование ядерного топлива не только экономически выгодно, но и снижает нагрузку на хранилища отработанных расщепляющихся материалов. Использование аналитических методов приобретает здесь особое значение, поскольку никакими другими кроме МС невозможно установить степень регенерации топлива. Разбавление ураном с природной распространенностью или обедненным ураном требует контроля изотопного состава, как и в случае производства нового топлива. Однако, требуется проводить дополнительный тщательный контроль на предельно низком уровне содержания изотопов 232U, 233U, 234U, 236U и ряда техногенных элементов, например, технеция (Tc), плутония (Pu), к появлению которых приводит нахождение материалов в реакторе. Все четыре типа приборов, упомянутых в первом случае (газовые масс-спектрометры с ионизацией электронным ударом, ТИМС, ИСП/МС, МК-ИСП/МС), с успехом используются и в этих применениях. Причем, для определения микропримесей посторонних и техногенных элементов прибор ELEMENT2 находится вне конкуренции среди всех методов и других приборов.

3. Хранение отходов ядерных материалов

Контроль материалов, подлежащих хранению, и контроль во время хранения, помимо дозиметрии, должен проводиться и по изотопному / элементному составу, для чего соответствующие масс-спектрометры (ТИМС, ИСП/МС, МК-ИСП/МС) являются незаменимыми. Все остальные аспекты хранения покрываются потребностями и решениями других пунктов 1-2 и 4-6.

4. Установление источников происхождения расщепляющихся материалов

Масс-спектрометрические методы предоставляют уникальную возможность установления источников происхождения ядерных материалов. Если мажорные компоненты материалов (например, уран или плутоний), как правило, не несут информации об источнике происхождения, то минорные компоненты на уровне микропримесей являются отпечатками технологических процессов или месторождений. Информативными характеристиками является как микрокомпонентный прмесный состав, так и соотношение изотопов в этих компонентах. Естественно, в этом случае требуется высочайшая точность определения как элементной композиции так и изотопной, для достижения которых необходимо использование приборов на их предельных возможностях по чувствительности. Наиболее выигрышным в данном применении является использование МК-ИСП/МС ( NEPTUNE) и ИСП/МС высокого разрешения (ELEMENT 2).
Дополнительную информацию для данного применения может дать использование масс- и хромато-масс-спектрометров для органического анализа (Finnigan MAT 95 XP, POLARIS Q, TRACE DSQ,TEMPUS, LCQ), позволяющих определять микропримеси органических или элементо-органических соединений, а также масс-спектрометров для анализа стабильных изотопов легких элементов — C, H/D, N, O — (Finnigan DELTA Plus ADVANTAGE и DELTA Plus XP).

5. Контроль окружающей среды

Разумеется, и здесь невозможно обойтись без масс-спектрометрического анализа. Влияние на окружающую среду — это попадание радионуклидов и токсичных элементов в воздух, почву, воду, растения. Методы масс-спектрометрии, как никакие другие, способны определять содержание этих элементов в объектах окружающей среды на предельно низком уровне. Более того, определение изотопных отношений элементов в объектах окружающей среды позволяет получить информацию об источнике загрязнения и времени их попадания. В данном случае, опять, точность определения изотопного состава, достоверность и предельно высокая чувствительность являются определяющими. Приборы, предлагаемые Thermo Finnigan MAT, по всем этим трем характеристикам не имеют себе равных в мире. Например, присутствие технеция в грунтовых, поверхностных водах или в грунте свидетельствует об утечках ядерных отходов. Ни один другой прибор кроме ELEMENT2 не способен определить технеций на уровне ppq (10-15 г). Это же относится к нептунию, америцию и другим элементам, которые могут присутствовать в ядерных отходах. Также ни один другой прибор кроме ТИМС TRITON TI не способен измерить состав минорных изотопов урана 232U, 234U, 236U с необходимой точностью на предельно низких концентрациях в объектах окружающей среды. Существует множество задач анализа объектов окружающей среды, связанных с ядерной безопасностью окружающей среды. Только один показательный пример. Производимые постояно с 1986 года измерения содержания стронция 90Sr в годовых кольцах деревьев в Англии позволяют проводить оценку диссипации окружающей средой выброса радионуклидов в момент Чернобыльской аварии. Выполнение такого анализа по силу только методу ИСП/МС.

6. Контроль воздействия расщепляющихся материалов на живые организмы

Люди, работающие на ядерных производствах, животные, проживающие на териториях, прилегающих к соотвествующим предприятиям, могут подвергаться воздействию ядернх материалов в ничтожных количествах. Однако, и эти ничтожные количества способны нанести непоправимый вред здоровью или наследственности. Выявление присутствия расщепляющихся материалов в живых организмах представляет собой сложнейшую задачу не только по той причине, что необходимо добиваться высочайшей чувствительности, но и анализировать их в присутствии сложнейших биологических матриц. Решение такой задачи под силу только самому высоклассному оборудованию, характеризующемуся не только предельной чувствительностью, но и исключительной селективностью. Масc-спектрометры высокого разрешения ( NEPTUNE, ELEMENT2, TRITON TI) позволяют решать все эти задачи с успехом. Как и в других случаях, не только элементный, но и изотопный состав является важнейшим показателем источника попадания радионуклидов или техногенных элементов в организм человека, животных или продукты питания. Эта информация имеет первостепенное значение для оценки безопасности технологии, чистоты производства и хранения материалов, равно как и для выяснения механизмов появления загрязнений, их токсичности, воздействия на живые организмы и способов борьбы с ними.