Наука

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. 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 недостаточна, 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.