Как найти плутоний в отработанном топливе

Потенциометрические сенсоры опознают радиоактивный элемент быстро и дёшево.

Российские учёные предложили доступный метод оценки концентрации плутония в облучённом ядерном топливе. Новые электрохимические сенсоры в сочетании со специальной математической обработкой позволят контролировать содержание этого элемента в режиме реального времени. Учёные уже проводят испытания методики в реальных растворах цикла переработки ядерного топлива. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда.

Отработавшее ядерное топливо, выгруженное из реакторов, проходит долгую обработку, из него извлекаются уран, плутоний и некоторые другие элементы, а оставшееся захоранивается. Процесс очистки технологически сложен, он включает множество стадий химической обработки и на каждом этапе требует проверки эффективности и безопасности очистки. Большинство современных методов контроля дорогие и трудоёмкие, а также, что самое опасное при работе с радиоактивными растворами, занимают много времени. Пробы отбирают специальными манипуляторами, доставляют в лаборатории, где проводят анализ с соблюдением множества специальных требований для снижения дозовой нагрузки на персонал. Среда переработки ядерного топлива очень сложна из-за высокой радиоактивности и содержания различных химических компонентов, включая сильные кислоты, например азотную. Анализ проводится преимущественно с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии — метода, основанного на изучении спектров излучения свободных атомов и ионов, или масс-спектрометрии, позволяющей различать компоненты смеси по отношению их массы к заряду. Обе эти технологии дают точные результаты, но только через несколько часов после отбора пробы. Таким образом, своевременное вмешательство в процесс переработки становится невозможным.

Учёные разрабатывают недорогие и быстрые методы, позволяющие контролировать содержание плутония в технологических потоках в режиме онлайн. Потенциометрические сенсоры представляют собой устройства, в которых определяемое вещество реагирует с чувствительным слоем на поверхности электрода. Химическое связывание определяемого иона со специальными веществами, находящимися в сенсорной мембране электрода, приводит к изменению электрохимического потенциала мембраны, который можно регистрировать с помощью вольтметра. Поскольку точность определения плутония в сложных многокомпонентных растворах топлива недостаточна, российские учёные разработали оригинальный подход к проблеме. Он заключается в использовании целого набора (массива) сенсоров с различной чувствительностью к плутонию и другим компонентам раствора. Отклик такого массива обрабатывается с помощью специальных методов машинного обучения, позволяющих получать необходимую информацию из сложных многомерных данных.

Статья посвящена определению плутония, так как это один из самых важных компонентов топлива, концентрацию которого необходимо контролировать в процессе переработки. В мировой литературе описано всего несколько электрохимических сенсоров, которые обладают к нему чувствительностью,— рассказывает руководитель проекта доктор химических наук Дмитрий Кирсанов, сотрудник Института химии Санкт-Петербургского государственного университета. В нашей работе представлены специально разработанные сенсоры, с помощью которых удаётся измерять плутоний в сложных смесях со всеми компонентами, которые могут оказаться в отработанном топливе. Это, в частности, уран и различные редкоземельные элементы. Кроме того, уникальность работы заключается в том, что наши сенсоры позволяют проводить измерения при очень высоких содержаниях азотной кислоты, в традиционных исследованиях с такими концентрациями ещё никто не работал.

Учёные уже проводят испытания новой методики вне лаборатории, в реальных растворах облучённого ядерного топлива на комбинате «Маяк» города Озёрска Челябинской области.

В работе также принимали участие сотрудники Радиевого института имени В. Г. Хлопина и лаборатории искусственных сенсорных систем Университета ИТМО.

По материалам статьи «Plutonium (IV) Quantification in Technologically Relevant Media Using Potentiometric Sensor Array»; Julia Savosina, Marina Agafonova-Moroz, Irina Yaroshenko, Julia Ashina, Vasily Babain, Alexander Lumpov, Andrey Legin, Dmitry Kirsanov; журнал Sensors, март 2020 г.

Источник: www.kommersant.ru/doc/4310996