使用LEGe能谱技术直接测量放射性废物中12?I的低能伽马射线并评估最小可探测活度

《Applied Radiation and Isotopes》：Direct Low-Energy Gamma-Ray Measurement of 129I in Radioactive Waste Using LEGe Spectrometry and Evaluation of the Minimum Detectable Activity

　　

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  建立并评估了一种用于放射性废物中 ¹²⁹I 的直接 LEGe 测量方法。
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  AgI 沉淀物质量增加导致自吸收增强，检测效率从 19.6% 降至 10.2%。
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  回收率在 2.0 g KI 载体时达到峰值 76%，并随样品质量增加而下降。
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  在相同条件下，水泥的回收率高于 SUS304，MDA 更低。
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  最低 MDA（0.0047 Bq g^-1）适用于筛查，但不满足 0.001 Bq g^-1 的目标值。

引言

碘-129（¹²⁹I）是由 ²³⁵U、²³⁸U 和 ²³⁹Pu 裂变产生的长寿命放射性核素，在反应堆正常运行期间主要留在燃料包壳内 [1]。然而，它可能通过微观包壳缺陷或事故泄漏进入冷却剂系统，在退役过程中可能以微量形式粘附和积累在乏燃料储存设施、冷却剂系统、管道、过滤器和结构组件上。由于 ¹²⁹I 高度可溶于水且易于随地下水迁移，它是处置安全评估中考虑的关键放射性核素之一 [2]。

基于上述原因，国内《核安全法》将 ¹²⁹I 指定为自行处置需验证的放射性核素，放射性废物的自行处置要求测量结果的 MDA 达到 0.001 Bq g^-1 或更低，即豁免水平 0.01 Bq g^-1 的十分之一 [3]。这意味着对于 ¹²⁹I 分析，需要一种能够实现极低检出限的高灵敏度测量技术，以及可靠的预处理和校准程序。

加速器质谱（AMS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等质谱技术可用于定量 ¹²⁹I，但这些方法在仪器可及性、样品预处理复杂度和直接以放射性浓度单位解读方面存在局限性 4, 5。在放射性测量方法中，通过化学分离碘后再用液体闪烁计数（LSC）或正比计数器计数 β 射线的方法早已确立 6, 7，基于放射化学中子活化分析（RNAA）或碱熔融结合 ICP-MS 的低放废物分析方法也有报道 8, 9。尽管这些通过 β 计数或质谱在分离后定量碘的方法被广泛使用，但它们要么涉及复杂的计数系统，要么需要额外步骤才能直接转换为监管浓度。

在此背景下，使用低能锗（LEGe）探测器的放射性测量方法可以直接测量低能伽马射线，其优势在于通过相对简单的计数系统推导出与监管标准直接关联的放射性浓度。然而，¹²⁹I 的低能伽马射线（39.578 keV）对自吸收高度敏感，样品形态、沉淀物质量和测量几何形状导致的效率变化会严重影响分析结果 [10]。因此，要在 ¹²⁹I 分析中可靠地实现低 MDA，不仅需要建立能选择性分离目标放射性核素的化学分离程序，还需要定量评估沉淀物质量作为函数的计数效率特性，并建立反映这些特性的校准方法。此外，还需要系统考察金属和混凝土基质对回收率和 MDA 的影响，这两种基质被认为是实际退役废物中的主要基质 [11]。

本研究针对放射性废物中 ¹²⁹I 的直接测量，研究了结合挥发–溶剂萃取–沉淀的化学分离程序，并实验评估了 LEGe 检测效率随 AgI 沉淀物质量的变化。此外，定量比较分析了 SUS304 不锈钢和波特兰水泥基质的回收率和 MDA 随样品质量和计数时间的变化。在此基础上，评估了 ¹²⁹I 测量程序相对于国内监管标准的可行性和局限性，并确定了根据基质特性的性能极限和最佳分析条件。

章节摘要

放射化学分离方法

对于 ¹²⁹I 的化学分离，采用了依次结合挥发、溶剂萃取和沉淀的方法。该方法构成了经典的放射化学分离程序——挥发并捕获碘，随后进行溶剂萃取和 AgI 沉淀——并针对本样品系统进行了适配 11, 12。在基质实验中，实际称取的样品质量范围为：波特兰水泥 0.1179 至 6.0015 g，SUS304 为 0.1103 至 6.0614 g（见

化学分离程序的设计

化学分离过程的整体流程如图 1 所示，各步骤的照片如图 2 所示。该过程按挥发（步骤 1）、溶剂萃取（步骤 2）和沉淀（步骤 3）的顺序进行。

在挥发步骤（步骤 1）中，首先将 0.8 N K₂Cr₂O₇ 溶液注入反应器，然后使用滴液漏斗逐滴加入 9 M H₂SO₄。随后将样品和 0.1 N KI 溶液加入反应器，接着加入 30% H₃PO₃；加热

结论

本研究作为可行性研究，调查了一种用于直接测量放射性废物中 ¹²⁹I 低能伽马射线（39.578 keV）的分析程序，并实验评估了化学分离条件和测量变量对 MDA 的影响。¹²⁹I 通过挥发–溶剂萃取–沉淀法以 AgI 沉淀形式分离，化学回收率通过应用稳定同位素定量确定

数据可用性

本研究期间产生或分析的所有数据均包含在本文已发表的文章中。

CRediT 作者贡献声明

Seon-Ho Lee：形式分析。Seung-Gwan Han：验证。Su-Bin Choi：撰写 – 审稿与编辑。sang jun Han：撰写 – 原稿

利益冲突

我们声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

资金支持声明

本研究由韩国能源技术与规划评估院（KETEP）的核 电站退役技术开发计划（项目编号 RS-2023-00239183）资助。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Sang-Jun Han|Su-Bin Choi|Seung-Gwan Han|Seon-Ho Lee