Tutaj prezentujemy przenośną platformę autoRAD do szybkiej separacji radiometrycznej i oznaczania 90Sr, ważnego produktu rozszczepienia, bardzo istotnego dla odpadów jądrowych.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy przenośną platformę autoRAD do szybkiej separacji radiometrycznej i oznaczania 90Sr, ważnego produktu rozszczepienia, bardzo istotnego dla odpadów jądrowych.
Szybki, zautomatyzowany i przenośny system do separacji i oznaczania radiostrontu w próbkach wodnych, przy użyciu żywicy Sr i wielosekwencyjnej analizy wtrysku przepływowego, został opracowany. Stężenia radioaktywnego strontu określono za pomocą zliczania scyntylacyjnego przepływowego, co pozwoliło na określenie on-line, a także na miejscu. Proponowany system może oznaczać radioaktywny stront na poziomach istotnych dla przemysłu bez dalszych modyfikacji, wykorzystując całkowity czas analizy krótszy niż 10 minut na próbkę wodną. Granica wykrywalności wynosi 320 fg·g-1 (1,7 Bq/g).
Około 150 komercyjnych elektrowni jądrowych (NPP) jest w trakcie likwidacji, ale całkowita liczba obiektów jądrowych jest znacznie większa, jeśli weźmie się pod uwagę obiekty badawcze i przetwórcze1. Likwidacja obiektów jądrowych jest bardzo kosztowna i wiąże się z transportem i pomiarami skażonego materiału poza terenem zakładu. Oszczędności są możliwe dzięki zastosowaniu elastycznych technik pomiarowych na miejscu1. W związku z tym istnieje pilna potrzeba opracowania szybkich metod analitycznych na miejscu, które wspierałyby likwidację starych obiektów jądrowych. Emitery promieniowania gamma można łatwo i selektywnie określić za pomocą spektroskopii gamma, ale istnieje niedobór metod analitycznych na miejscu dla trudnych do zmierzenia (HTM) radionuklidów (HTM) class<="xref">2. Wśród HTM 90Sr cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na swoją toksyczność i wysoką emisję energii. Jego określenie jest czasochłonne i wymaga oddzielenia od zakłóceń oraz kwantyfikacji za pomocą LSC lub metod spektroskopowych3,4,5,6,7,8,9,10,11, 12,13.
Standardowe metody radiochemiczne są czasochłonne i często wymagają powtórzeń, aby uzyskać odpowiednią wydajność strontu. Dlatego istnieje pilna potrzeba opracowania szybszych i dokładniejszych metod. Oprócz standardowych protokołów separacji, techniki wtrysku przepływowego są stosowane do oczyszczania i/lub wstępnego zatężania izotopów promieniotwórczych5,14,15. Urządzenia Lab-on-Valve (LOV) stanowią dalszy postęp w technikach przepływowych. Są to programowalne, oparte na przepływie platformy z różnymi trybami sprzęgania i wykazują dużą wszechstronność16. Takie urządzenia umożliwiają automatyczną separację i wstępne zagęszczenie analitów przed wykryciem, zwiększając w ten sposób odtwarzalność i powtarzalność8,17,18,19. Systemy LOV sprzężone z wielostrzykawkowymi pompami przepływowymi są szeroko stosowane do wykrywania radionuklidów, ze względu na minimalizację zużycia odczynników i wytwarzania odpadów8,10,17,18,19,20. Niemniej jednak zgłoszone badania dotyczące wykrywania online na ultraśladowych poziomach są rzadkie8,17.
Pomiary materiałów radioaktywnych na miejscu mają wiele zalet i zalet, ale nie ma zastosowania scyntylacji przepływowej do monitorowania 90Sr. Zasadniczo kwantyfikacja odbywa się za pomocą detektora online, który miesza eluat pochodzący z urządzenia LOV z iskrzącym koktajlem scyntylacyjnym11,21,22. Mieszanina jest następnie przepompowywana przez celę zliczającą, a pomiar odbywa się za pomocą sparowanych fotopowielaczy. Ze względu na małą objętość ogniwa, czas pomiaru mieści się w skali sekundowej.
Celem tych badań jest opracowanie w pełni zautomatyzowanej metody wykrywania strontu on-line w szerokim zakresie roboczym, obejmującej zarówno stężenia istotne dla środowiska, jak i te występujące w strumieniach odpadów przemysłu jądrowego. Platforma jest mobilna i może być zamontowana w pojeździe w celu wykonywania analiz próbek wodnych na miejscu.
Uwaga: Roztwory zostały przygotowane z wody o wysokiej czystości (18,2 MΩ cm) przy użyciu urządzeń przeznaczonych do analizy ultraśladowej. Kwas azotowy oczyszczono za pomocą kwarcowej destylacji podwrzącej. Zarówno system oczyszczania wody, jak i jednostka destylacji podwrzącej pracowały w pomieszczeniu czystym.
Uwaga: 90Sr jest bardzo toksyczny i rakotwórczy. Podczas przeprowadzania eksperymentów niezbędne są odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym zarówno inżynieryjne systemy kontroli, jak i środki ochrony osobistej.
1. Przygotowanie do eksperymentu
Uwaga: Szczegółowy opis dotyczący architektury oprogramowania i jego funkcjonalności można znaleźć gdzie indziej23.
2. Czyszczenie systemu
3. Załaduj żywicę do LOV
4. Sekwencja analizy
Opracowano i wdrożono w pełni zautomatyzowaną platformę AUTORAD, sterowaną autorskim oprogramowaniem opartym na środowisku LabVIEW (Rysunek 1). Oprogramowanie zapewnia wystarczającą elastyczność w codziennej obsłudze w przyjaznym dla użytkownika środowisku (Rysunek 2). Wszechstronność platformy została również wykazana poprzez jej połączenie z różnymi detektorami (Rysunek 3). Zastosowalność metody zademonstrowano w próbkach wodnych wzbogaconych wzorcem 90Sr (Rysunek 4). Oceńiono parametry takie jak liniowość, zakres liniowy, granica wykrywalności (LOD) oraz powtarzalność (Rysunek 5).

Rycina 1. Schematyczny przedstawienie systemu AutoRAD ukazujące konfigurację portów oraz użyte odczynniki. Port centralny jest połączony z pompą strzykawkową za pomocą zwoju utrzymującego (10 mL); metakrylanowy LOV został wykonany wewnętrznie. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2. Menu opcji oprogramowania AutoRAD. Obszar w prawym dolnym rogu pokazuje przypisane porty. Za pomocą menu rozwijanego użytkownik może wprowadzać zmiany w przypisaniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rycina 3. Piki elucji 86Sr z wykorzystaniem spektrometrii mas z plazmą indukowaną indukcyjnie (ICP-MS) jako detektora. Stront jest eluowany ilościowo z kolumny podczas pierwszych 100 s elucji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4. Pik elucji 34,5 ± 1 Bq 90Sr (6,6 pg·g-1) z wykorzystaniem detektora ß-RAM 5. Czas przebywania w cewce wynosił 40 s. Całkowity stopień odzysku zaproponowanej metody dla 90Sr wynosi 70% ± 5%. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5. Krzywa kalibracyjna szybkości zliczeń w funkcji stężenia strontu promieniotwórczego. Uzyskano dobrą liniowość (R2 = 0,997). Granicę wykrywalności obliczono jako 320 fg·g-1 ± 5 (1,7 Bq) na podstawie trzykrotnego odchylenia standardowego próby ślepej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Charakterystyka radiologiczna i ochrona radiologiczna są kluczowymi kwestiami na wszystkich etapach cyklu życia obiektu jądrowego. Konieczność oznaczania radionuklidów podczas likwidacji obiektów jądrowych wymaga ciągłego doskonalenia procedur analitycznych. Pociąga to za sobą zwiększenie selektywności i czułości oraz skrócenie czasu analizy. Prototyp AUTORAD spełnia te wymagania. Ponadto prototyp jest przenośny i umożliwia pomiar na miejscu. Zaproponowana zautomatyzowana metoda on-line została z powodzeniem zastosowana do oznaczania aktywności 90Sr w próbkach wodnych.
Rysunek 1 przedstawia schemat ideowy systemu AutoRAD. Komunikacja z prototypem została zrealizowana za pomocą komercyjnego graficznego języka programowania LabVIEW 2014. Wdrożono tryb Virtual Instrument Software Architecture (VISA) do konfigurowania, programowania i sterowania interfejsami. Rysunek 2 przedstawia ekran graficznego interfejsu użytkownika, na którym można zweryfikować konfigurację portu przed inicjalizacją systemu. Tryb VISA jest niezależny od systemu operacyjnego i środowiska programu, dzięki czemu zapewnia wyjątkową wszechstronność. Podstawowa struktura i cechy tworzonego oprogramowania zostały szeroko omówione w poprzedniej publikacji24. Ulepszenia osiągnięto dzięki sterowaniu biuretami przez komputer PC za pomocą interfejsu RS232, co pozwala na lepsze sterowanie obiema biuretami jednocześnie i możliwość wykonywania pomiarów w trybie zatrzymania przepływu. Natomiast złącze RS232 szybko reaguje, gdy wzrasta ciśnienie wsteczne systemu. Może to prowadzić do błędu systemu i zatrzymania pomiaru. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na proces ładowania żywicą i siły jonowej próbek.
Optymalizację warunków eksperymentalnych osiągnięto w serii eksperymentów z wykorzystaniem stabilnego izotopu strontu 86Sr jako substytutu radioaktywnego 90Sr oraz poprzez sprzężenie systemu AUTORAD z systemem ICP-MS, a nie z systemem beta detchccor. Rysunek 3 przedstawia profile elucji ICP-MS 86Sr. Uzyskane 86profili elucji Sr jest w pełni zgodne z poprzednio przedstawionymi wynikami dla całkowitego strontu przy użyciu niskociśnieniowych urządzeń rozdzielających25 i zostały odjęte ślepą próbą. Metoda regresji liniowej metodą najmniejszych kwadratów została wykorzystana do wygenerowania krzywej dopasowania do celu, która nie wprowadza dodatkowego składnika niepewności. Uzyskana liniowość wyniosła 0,995, przy czym wartości p były mniejsze niż poziom istotności. LOD 2 pg·g-1określono na podstawie wielokrotnych pomiarów ślepej próby zgodnie z Currie26. Odtwarzalność metody, oparta na względnym odchyleniu standardowym powierzchni piku obliczonym na podstawie trzech powtórzonych serii, wynosiła zawsze mniej niż 4% w zakresie od 10 do 120 pg·g-1. Występ w profilach elucyjnych jest najprawdopodobniej artefaktem spowodowanym nieoptymalnym upakowaniem kolumny w automatycznej konfiguracji AUTORAD.
Rysunek 4 przedstawia profil 90Sr przy użyciu radiowego detektora przepływu. System AUTORAD jest w stanie skutecznie oddzielić 90Sr w próbkach wodnych.
Rysunek 5 przedstawia zależność stężenia 90Sr od sygnału liniowego w zakresie zainteresowania. Pochodna granica wykrywalności jest określona w fg. Zakres G-1 , umożliwiający, bez dalszych modyfikacji, oznaczanie radiostrontu w próbkach z likwidacji obiektów jądrowych i próbkach charakteryzujących odpady. Powtarzalność metody, przy użyciu przepływowego detektora scyntylacyjnego i w oparciu o względne odchylenie standardowe powierzchni piku, wynosi około 30% w badanym zakresie stężeń. Obecna konfiguracja prototypu ogranicza jednak jego zastosowanie do próbek środowiskowych, głównie ze względu na krótki czas zliczania w detektorze. Co więcej, złożone matryce mogą nasycać żywicę w mini kolumnie.
Zostanie wdrożona technika zatrzymanego przepływu, w której zarówno pompa Hamiltona, jak i pompa radiowego detektora przepływu są zatrzymywane podczas pomiaru. Ta funkcja poprawi czułość poprzez wydłużenie czasu przebywania w największej części strefy próbki w komorze przepływowej. W ten sposób statystycznie znaczący sygnał jest akumulowany, zanim próbka opuści detektor. Takie podejście poprawi zarówno statystyki zliczania, jak i limity wykrywalności. Ponadto opracowywane jest nowe zastosowanie, w tym dodatkowa minikolumna jonowymienna do usuwania składników matrycy, które mogłyby wpływać na zatrzymywanie i rozdzielanie różnych radionuklidów w złożonych próbkach matrycowych.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy chcieliby podziękować kolegom i osobom zaangażowanym w różne etapy projektu. Koledzy z biura projektowego JRC w Karlsruhe, panowie Dietrich Knoche i Volkmar Ernest, z warsztatów JRC w Karlsruhe, panowie Christian Diebold i Joachim Küst za zaprojektowanie i wyprodukowanie laboratorium na kolektorze zaworowym (LOV) oraz firma Ringwald GmbH za implementację oprogramowania do techniki wykrywania trybu zatrzymanego przepływu.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| microLAB 600 series | Hamilton | ML600EE6910 | Dwa dwustrzykawkowe pompy wyposażone w dwie szklane strzykawki o pojemności 10 ml. Przyrządy są połączone ze sobą za pomocą portu CAN (daisy chain). |
| FlowLogic U | LabLogic | SG-BXX-05 | Scyntylator cieczowy o wysokiej temperaturze zapłonu |
| ß-RAM 5 | Detektor przepływu LabLogic | , 2000 μ Zwinięta teflonowa komórka przepływowa. Oprogramowanie Laura 4.2.8 (LabLogic, Anglia) uruchamiane na komputerze stacjonarnym i podłączone do detektora przez USB | |
| SC-μ DX Autosampler | Elemental Scientific Instruments (ESI) | ||
| Cheminert selektor | Valco Instruments Co., Inc. | Na tym selektorze zamontowano własny zawór Lab-on-Valve | |
| Zawór modułowy Pozycjoner (MVP) | Mini | ||
| Kwas | |||
| 65% | Merck | 1.00441.1000 | oczyszczone przy użyciu kwarcowej jednostki destylacji podwrzącej |
| Żywica Sr-Eichchrom | Tecnologies, Inc | SR-B100-A | 100-150 &mikro; m |
| System wodny Elix 3 w połączeniu z Mili-Q Element A10 | Millipore | woda o wysokiej czystości (18,2 MΩ cm) | |
| Sr-90 standard | Eckert & Ziegler | 7090 | Sr-90 stężenie 1,915 kBq/g ± 3,0%, data referencyjna 15-maj-2016 12:00 PST |
| MLS kwarcowa destylacja podwrząca | MLS GmbH | Jednostka podgotowa do oczyszczania HCl i kwasu azotowego |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie