Российские ученые предложили доступный метод оценки концентрации плутония в облученном ядерном топливе. Новые электрохимические сенсоры в сочетании со специальной математической обработкой позволят контролировать содержание этого элемента в режиме реального времени. Ученые уже проводят испытания методики в реальных растворах цикла переработки ядерного топлива. Работа опубликована в журнале Sensors. 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 трудоемкие, 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.
Ученые 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 не достаточна, российские ученые 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 удается 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 еще никто не работал».
Ученые уже проводят испытания новой методики вне лаборатории, в реальных растворах облученного ядерного топлива на комбинате «Маяк» города Озерска Челябинской области.
