STANOVENÍ 236U URYCHLOVAČOVOU HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIÍ A JEHO VYUŽITÍ

Význam tématu

Analýza uranového izotopu 236U metodou urychlovačové hmotnostní spektrometrie (AMS) nabízí unikátní možnost sledovat jak antropogenní, tak přírodní procesy prostřednictvím izotopových otisků. V oblasti jaderné bezpečnosti a nešíření zbraní poskytuje cenné údaje pro forenzní analýzu, zatímco v oceánografii slouží k mapování hlubinných proudů a posuzování mísení vodních mas. Chemicky konzervativní chování uranylových komplexů v mořské vodě umožňuje dlouhodobé sledování migrace a zředění 236U.

Cíle a přehled studie

Článek shrnuje klíčové vlastnosti izotopu 236U, jeho analytické aplikace a metodiku stanovení pomocí AMS. Přehled zahrnuje postup přípravy vzorků (včetně separačních kroků a koncentrace uranu) a výběr terčových matric, s důrazem na optimalizaci detekčních limitů, minimalizaci objemu vzorku a zrychlení analýzy.

Použitá metodika a instrumentace

Pro stanovení 236U metodou AMS byly využity tyto kroky a vybavení:

• Odběr vzorků mořské vody (10–40 l), úprava pH, filtrace nečistot a okyselení pro desorpci uranu.
• Spolusrážení uranu s hydroxidem železa (Fe(OH)₃) nebo hydrolýzou organo­titaničitého prekurzoru pro koncentraci z velkých objemů.
• Extrakčně chromatografická separace pomocí sorbentů TEVA® (pro Pu, Np) a UTEVA® (pro U) k odstranění rušivých aktinoidů a dalších prvků.
• Příprava terčových matric: standardně oxidy železa (Fe₂O₃) s přidáním práškového niobu, experimentálně oxidem titaničitým (TiO₂) či směsmi lanthanidových fluoridů (NdF₃, PrF₃, PbF₂) pro zvýšení iontového výtěžku.
• Analýza na AMS systémech (např. VERA, ETH Zurich, MILEA od IonPlus) s detekcí negativních iontů UO⁻.

Hlavní výsledky a diskuse

Izotop 236U vzniká především reakcemi 235U(n,γ)236U a 238U(n,3n)236U v jaderných reaktorech a při testech zbraní, zatímco přirozená produkce je zanedbatelná. Koncentrace poměru 236U/238U ve vodných vzorcích dosahují hodnot od 10⁻⁹ do 10⁻¹⁴, což vyžaduje odběr desítek litrů vody. Optimalizované oxidické matice na bázi TiO₂ zvýšily iontový výtěžek až čtyřnásobně oproti Fe₂O₃, superhalogenidové systémy s NdF₃ či PrF₃ s PbF₂ až čtyřicetkrát, a dosahují mez detekce ~10⁻¹³. Klíčovým faktorem je omezení rušivých efektů uhličitanových komplexů a přísné okyselení vzorku.

Přínosy a praktické využití metody

Stanovení 236U umožňuje:

• Identifikovat antropogenní zdroje radioaktivního spadu a odlišit je od přírodních procesů.
• Mapovat trasu oceánských proudů a sledovat mísení vodních mas.
• Vyhodnotit erozní procesy a transport sedimentů.
• Využít korálové skeletové záznamy k rekonstrukci geologické historie koncentrace 236U.
• Stanovit integrální neutronové toky v geofyzikálních aplikacích (přírodní reaktory, horniny).

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávaný vývoj zahrnuje:

• Rozšíření kompaktních multiizotopových AMS přístrojů umožňujících simultánní stanovení 233U, 236U, Pu izotopů, 129I a dalších stopových nuklidů.
• Další vývoj terčových matric pro ultrastopové koncentrace s minimální přípravou a vysokou iontovou účinností.
• Redukci požadavků na objem vzorku a zkrácení doby měření při zachování nízkého pozadí.
• Širší aplikace v environmentálním monitoringu, forenzní chemii a oceánografii.

Závěr

AMS stanovení 236U představuje výkonný analytický nástroj pro studium antropogenních i přírodních procesů. Pokrok v separačních postupech, nové terčové matrice a kompaktní přístrojové vybavení vedou k lepším detekčním limitům, vyšší efektivitě a širšímu využití v jaderné forenzní analýze, oceánografii a environmentálním výzkumu.

Reference

1. Hain K., Steier P., Froehlich M. B., Golser R., Hou X., Lachner J., Nomura T., Qiao J., Quinto F., Sakaguchi A.: Nat. Commun. 11, 1275 (2020).
2. Casacuberta N., Masqué P., Henderson G., Rutgers van der Loeff M., Bauch D., Vockenhuber C., Daraoui A., Walther C., Synal H.-A., Christl M.: Earth Planet. Sci. Lett. 440, 127 (2016).
3. Sakaguchi A., Kawai K., Steier P., Quinto F., Mino K., Tomita J., Hoshi M., Whitehead N., Yamamoto M.: Sci. Total Environ. 407, 4238 (2009).
4. López-Lora M., Levy I., Chamizo E.: Talanta 200, 22 (2019).
5. Srncik M., Tims S. G., De Cesare M., Fifield L. K.: J. Environ. Radioact. 132, 108 (2014).
6. Kutschera W.: Adv. Phys.- X 1, 570 (2016).
7. Casacuberta N., Christl M., Vockenhuber C., Wefing A.-M., Wacker L., Masqué P., Synal H.-A., Rutgers van der Loeff M.: J. Geophys. Res.: Oceans 123, 6909 (2018).
8. Wefing A.-M., Casacuberta N., Christl M., Gruber N., Smith J. N.: Ocean Sci. 17, 111 (2021).
9. Winkler S. R., Steier P., Carilli J.: Earth Planet. Sci. Lett. 359-360, 124 (2012).
10. Djogić R., Sipos L., Branica M.: Limnol. Oceanogr. 31, 1122 (1986).
11. Berkovits D., Feldstein H., Ghelberg S., Hershkowitz A., Navon E., Paul M.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 172, 372 (2000).
12. NuDat 3.0 database – NNDC at BNL, staženo 20.11.2022.
13. IAEA Nuclear Data Services – EXFOR and ENDF database, staženo 20.11.2022.
14. Benedict M., Pigford T. H., Levi H. W.: Nuclear Chemical Engineering, 2nd ed. McGraw-Hill, New York 1981.
15. Steier P. a kol.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 266, 2246 (2008).
16. Qiao J. a kol.: Nat. Commun. 12, 823 (2021).
17. López-Lora M., Chamizo E., Levy I., Christl M., Casacuberta N., Kenna T. C.: Sci. Total Environ. 765, 142741 (2021).
18. Tims S. G., Froehlich M. B., Fifield L. K., Wallner A., De Cesare M.: J. Environ. Radioact. 151, 563 (2016).
19. Chamizo E., Rääf C., Löpez-Lora M., García-Tenorio R., Holm E., Rabesiranana N., Pédehontaa-Hiaa G.: Sci. Total Environ. 740, 139993 (2020).
20. Špendlíková I., Němec M., Steier P., Keçeli G.: J. Radioanal. Nucl. Chem. 311, 447 (2017).
21. Eichrom – Produktové informace k sorbentu TEVA®, staženo 20.11.2022.
22. Eichrom – Produktové informace k sorbentu UTEVA®, staženo 20.11.2022.
23. Christl M. a kol.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 361, 510 (2015).
24. Qiao J., Hou X., Steier P., Nielsen S., Golser R.: Anal. Chem. 87, 7411 (2015).
25. Zhao X.-L., Litherland A. E., Kieser W. E., Cornett R. J.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 455, 224 (2019).
26. De Cesare M. a kol.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 294, 152 (2013).
27. Winkler S. R., Steier P., Buchriegler J., Lachner J., Pitters J., Priller A., Golser R.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 361, 458 (2015).
28. Prášek T., Němec M., Steier P., Kern M., Honda M., Hain K., Zhang X.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B 472, 64 (2020).
29. Němec M.: Chem. Listy 117, 86 (2023).