Способ измерения концентрации 137Cs в водной среде

Изобретение относится к области радиационной экологии и предназначено для мониторинга радиоактивного загрязнения водоемов.

Цезий-137 является долгоживущим осколочным радионуклидом, образующимся в атомных реакторах и при ядерных взрывах [1]. Известно, что в период испытаний ядерного оружия в атмосфере, которые достигли своего максимума в 1962 г., в окружающую среду поступило от 1300 до 1500 ПБк ¹³⁷Cs [2]. В результате аварии на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 г. из разрушенного реактора 4-го энергоблока было выброшено, по разным оценкам от 90 до 270 ПБк цезия-137 [3,4]. Во время аварии на японской АЭС Фукусима-1 в 2011 г. около 770 ПБк цезия-137 поступило в атмосферу и прилегающую акваторию Тихого океана. Другие техногенные катастрофы на ядерных объектах, например, на Урале в 1950, 1957 и 1967 гг. и в британском Уиндскейле в 1957 г., также внесли значительный вклад в загрязнение пресных и морских вод цезием-137, который составил в сумме примерно 13 ПБк [5, 6]. В связи с этим, ¹³⁷Cs является одним из наиболее значимых факторов радиоактивного загрязнения биосферы, а радиоаналитический контроль и мониторинг содержания ¹³⁷Cs в природных экосистемах представляется одной из наиболее актуальных задач обеспечения их радиационной безопасности.

Основная трудность, возникающая при обеспечении радиоаналитического контроля содержания ¹³⁷Cs в водной среде, заключается в его высокой геохимической подвижности, что приводит к быстрому снижению концентрации данного радионуклида в местах сброса. Вместе с тем, для определения содержания ¹³⁷Cs используются, как правило, гамма-спектрометрические методы, основанные на измерении активности его короткоживущего дочернего радионуклида ^137mBa (фиг. 1) и характеризующиеся низкой (1-10%) эффективностью регистрации γ-излучения [7]. В связи с этим, объемы проб воды, необходимые для определения концентрации ¹³⁷Cs, достигают нескольких сотен, а иногда и тысяч литров, что существенно затрудняет проведение массовых измерений и снижает их производительность.

Один из основных методов концентрирования цезия заключается в пропускании больших объемов воды через два последовательно соединенных адсорбера [8]. В качестве сорбента используется целлюлозное волокно, импрегнированное ферроцианидом меди [9, 10]. Эффективность сорбции определяется по разнице активности в первом и во втором адсорберах, т.е. без использования дорогостоящих трассеров радиохимического выхода [11, 12]. Однако в данном случае необходимо использовать достаточно большое количество сорбента в каждом адсорбере для того, чтобы при прокачке через него нескольких сотен, а иногда и тысяч литров воды не превысить сорбционную емкость по отношению к цезию-137. В связи с этим, собственное бета-излучение цезия-137 может испытывать значительное самопоглощение в большой массе сорбента и поэтому приходится производить измерения содержания ¹³⁷Cs с помощью гамма-спектрометрии по излучению его дочернего радионуклида бария-137 метастабильного [1]. А поскольку эффективность регистрации гамма-излучения у большинства гамма-детекторов редко достигает 10%, то приходится обрабатывать большие объемы воды, снижая производительность метода.

В основу изобретения (Способ измерения концентрации ¹³⁷Cs в водной среде) поставлена задача повышения эффективности определения содержания ¹³⁷Cs, снижения трудоемкости способа и повышения производительности.

Для решения этой задачи предлагается определять содержание ¹³⁷Cs методом прямой бета-радиометрии после его концентрирования на дисковых мини адсорберах, где используемая масса сорбента в 100 раз меньше, чем для гамма-спектрометрического измерения содержания ¹³⁷Cs. Это позволит повысить эффективность регистрации данного радионуклида в 10÷50 раз по сравнению с гамма-спектрометрическим методом, и, следовательно, сократить объем обрабатываемой воды с 1000 до 50 и менее литров.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг. 1 - схема радиоактивного распада ¹³⁷Cs (Т_1/2 - период полураспада); На Фиг. 2 - схема извлечения ¹³⁷Cs из водной среды.

Способ измерения концентрации ¹³⁷Cs в водной среде включает в себя следующие основные стадии:

1. Отбор пробы воды.

2. Прокачка воды через два последовательно соединенных адсорбера.

3. Сушка и озоление сорбента.

4. Проведение прямой радиометрии бета-излучения цезия-137 с помощью жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии.

5. Расчет активности радионуклида в сорбенте:

где А^τ - содержание радионуклида в сорбенте (Бк); N - скорость счета (импульсы/с); N_ф - скорость счета фона (импульсы/с); E_R - эффективность радиометрической регистрации.

6. Расчет эффективности сорбции (Е) по отношению активностей в первом и втором сорбенте:

7. Расчет удельной активности радионуклида в пробе.

где А₀ - концентрация определяемого радионуклида в пробе воды (Бк/л); V - объем пробы (л).

В представленной схеме (Фиг. 2): 1 - проба морской воды; 2 - перистальтический насос; 3 - фильтр мембранный; 4, 5 - адсорберы, последовательно соединенные.

Пример реализации способа.

Испытания предлагаемого способа измерения концентрации ¹³⁷Cs в водной среде по собственному бета-излучению с помощью жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии были проведены в Отделе радиационной и химической биологии Института биологии южных морей, г. Севастополь. Для этого было отобрано 40 л морской воды. Воду профильтровали через мембранный фильтр 3 с диаметром пор 0.45 мкм для удаления взвешенного вещества. После этого в пробу добавили известное количество стандартного раствора цезия-137 (4000 Бк), чтобы получить заданную концентрацию определяемого радионуклида (100 Бк/л). При этом количество добавляемого изотопа было на четыре порядка величин больше природного уровня содержания цезия-137 в данной воде, благодаря чему можно было пренебречь его исходной концентрацией. Затем воду прокачивали с помощью перистальтического насоса 2 через два последовательно соединенных адсорбера 4 и 5. В качестве сорбента использовалось целлюлозное волокно, импрегнированное ферроцианидом меди. Скорость прокачки пробы составляла около 5 л/час. После этого сорбент переносили в керамические тигли и высушивали в сушильном шкафу при температуре 90°C. Далее сухой сорбент помещали в муфельную печь для озоления целлюлозы при температуре 450°C. Полученную золу переносили во флаконы для жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии, куда добавляли по 20 мл сцинтилляционной жидкости «Optiphase Hisafe III» и проводили радиометрические измерения с использованием ультра-малофонового жидкостно-сцинтилляционного спектрометра 1220-QUANTULUS (LKB Wallac, Финляндия). Эффективность сорбции рассчитывали по формуле (2), а удельную активность ¹³⁷Cs в пробе воды - по формуле (3). Определенная концентрация соответствовала ожидаемой в пределах погрешности измерения. Эффективность сорбции в эксперименте составила величину 48%. Предел обнаружения ¹³⁷Cs в водной среде, рассчитанный в соответствии с рекомендациями [13], для предлагаемого способа измерения концентрации ¹³⁷Cs в водной среде с помощью жидкостно-сцинтилляционной ¹³⁷Cs в водной среде с помощью жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии составил 0.52 Бк/м³ для объема проб 40 л. Это оказалось сравнимо с пределом обнаружения классического метода, который при использовании объемов проб порядка 500 л составил величину 0.57 Бк/м³.

Таким образом, предложенный способ измерения концентрации ¹³⁷Cs в водной среде с помощью жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии позволяет снизить объем отбираемых проб в 10-20 раз и уменьшить количество применяемого сорбента, не увеличивая при этом предел обнаружения цезия-137.

Литература

1. Гайсинский М., Адлов Ж. Радиохимический словарь элементов. М.: Атомиздат, 1968. - 209 с.

2. Ионизирующее излучение: источники и биологические эффекты. НКДР при ООН. Доклад за 1982 г. Генеральной Ассамблее ООН. Нью-Йорк, 1982, 882 с.

3. Ильин Л.А., Павловский О.А. Радиоэкологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС и меры, предпринятые с целью их смягчения // Атомная энергия. - 1988. - 65, вып. 2. - С. 119-129.

4. Egorov V.N., Polikarpov G.G., Stokozov N.A. et al. Assessment of the Black Sea response time-scale to pollution with 90Sr and 137Cs following the Chernobyl NPP accident // Rapport du 36e Congres de la CIESM: 36th CIESM Congress Proceedings, - Monte-Carlo (Monaco). - 2001. - 36. - P. 121.

5. Никипелов Б.В., Дрошко Е.Г. взрыв на Южном Урале. // Природа 1990, №5, с. 48-49.

6. Антропова З.Г., Абрамова Т.Н., Дибобес И.К. и др. Итоги изучения и опты ликвидации последствий загрязнения территории продуктами деления урана. М.: Энергоатомиздат, 1990, 144 с.

7. Folsom, T.R., Hansen, N., Tatum T.J., Hodge, V.F. Recent Improvements in Methods for Concentrating and Analyzing Radiocesium in Sea Water // J. Radiat. Res. - 1975. - 16, 19-27.

8. Chin-Chien Su, Chin-An Huh, Ju-Chin Chen. A rapid method of the determination of Cs-137 in seawater // TAO. - 2000. - Vol. 11, No. 4, P. 753-764.

9. Ayrault S., Loos-Neskovic C., Fedoroff M., Gamier E., Jones DJ. Compositions and structures of copper hexacyanoferrate (2) and (3): experimental results // Talanta. - 1995. - Vol. 42, No. 11, P. 1581-1593.

10. Ganzerli Valentini M.T., Stella R., Cola M. Characterization of copper hexacyanoferrate (II) and (III) with reference to their use ax caesium adsorbers // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 1986. - Vol. 102, No. l - P. 99-110.

11. Гулин С.Б. Адсорбционные процессы в технологии актинидов: учебн. пособие. - Севастополь: СНУЯЭиП, 2010. - 112 с.

12. Don N. Mann, Susan A. Casso. In situ chemisorption of radiocesium from seawater // Marine chemistry. - 1984. - 14, P. 307-318.

13. ISO 11929 Determination of characteristic limits (decision threshold, detection limit, and limits of the confidence interval) for measurements of ionizing radiation - Fundamentals and applications / International standard. - 2007. - 68 P.