核标准品发展历程及未来趋势

标准品是指具有一种或多种已知特性的核物质,是标准物质的一个分支,是核分析化学计量的核心,在核燃料循环生产过程中的控制分析和产品质量分析、环境保护和公众安全的核辐射测量、核临界安全与核材料衡算等方面,核标准物质起着量值传递和质量保证与控制作用。


核标准品的主要用途

标准品主要包括铀钚含量标准物质、铀钚同位素标准物质以及杂质元素标准品等。它们在核分析检测中有多种用途,主要包括以下几个方面:

用来校准核仪器和设备,以确保测量结果的准确性和一致性。例如,可以用核标准品来校准质谱仪、放射性计数器、中子活化分析仪等仪器。

用来评价和验证核测量方法,以检验方法的准确性、精密度、灵敏度、选择性等性能指标。例如,可以用核标准品来评价核素分析、同位素比测定、核材料定量分析的方法。

用来给其他核物质或材料赋值,以确定其特性或成分。例如,可以用核标准品来给环境样品、生物样品、核燃料样品等赋值,以监测其放射性核素、同位素比、核材料含量等。

用来进行质量控制,以保证测量结果的可靠性和可比性。例如,可以用核标准品来检查测量过程中的误差、偏差、变异等,以及与其他实验室或机构的测量结果的一致性。

可以用来进行计量仲裁和实验室认证,以解决测量结果的争议或评估测量能力。例如,可以用核标准品来处理国内外贸易中的质量纠纷,或者对核测量实验室的技术水平和条件进行审查和评价。

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核标准品的发展历程

标准品的发展始于20世纪50年代,随着核能的发现和应用,核标准品的需求和种类也不断增加。最早的核标准品是由美国国家标准局(NBS)和英国原子能研究所(AERE)等机构制备的,主要用于核物理和核化学的研究。

核标准品的发展进入高潮是在20世纪70年代,随着核电、核武器、核医学、核安全等领域的发展,核标准品的需求和种类进一步增加。这一时期,出现了许多新的核标准品,如核燃料、核废料、环境样品、生物样品等,同时也出现了许多新的核测量方法,如质谱法、中子活化分析法、伽马谱仪法等。

核标准品的发展进入成熟期是在20世纪80年代至90年代,随着核技术的广泛应用和国际合作的增加,核标准品的需求和种类趋于稳定,核标准品的制备和认证也趋于规范和标准化。这一时期,出现了许多国际核标准品组织,如国际原子能机构(IAEA)、欧洲核能共同体(EURATOM)、国际核标准品协会(INSA)等,以及许多国家和地区的核标准品机构,如美国国家标准与技术研究院(NIST)、英国国家物理实验室(NPL)、中国原子能科学研究院(CIAE)等。

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核标准物质研制概况

目前国际上只有部分国家具有研究、生产并颁布有证核标准物质(CRM)的专业机构,其中美国是核标准品种最多、且定值水平和质量信誉均得到国际公认的国家。目前多数核标准物质的研制和生产均来自于美国能源部的新布伦瑞克实验室(NBL)。

由欧洲测量与标准物质研究院(IRRM)生产和颁布的核标准物质产品数量仅次于NBL。法国CETAMA、COGEMA、英国哈威尔实验室、BNFL以及日本原子能研究所也生产了少量的核标准物质,他们研制的核标准物质主要包括铀、钚、镎和钍等,而且新增了镅标准物质。

目前生产种类最多的核标准物质为铀标准物质,多达200多种,包括铀金属、二氧化铀芯块、硝酸铀酰、八氧化三铀、六氟化铀、铀同位素、稀释剂、杂质元素等。钚标准物质共60多种,包括钚金属、二氧化钚、硝酸钚、四水硫酸钚、稀释剂、杂质元素、K边标准物质等。钍标准物质有8种,镎标准物质很难通过公开渠道获得,新增的镅标准物质只有一种。

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铀标准物质

铀是核燃料循环体系中最为关注的元素之一,其分析方法有多种,如重量法、库仑法、分光光度法、激光荧光法、K边界吸收法等。标准物质可用于上述分析方法的验证、仪器校准和质量控制。标准物质的均匀性和稳定性是十分重要的两个特征,因此在标准物质不断研发的过程中,不易保持稳定的铀元素测量标准物质会逐渐被取代。例如稳定性较好的烧结UO2芯块逐步取代了NBL原有的两种235U丰度不同的UO2粉末状态标准物质。分析仪器的逐渐发展和仪器制造的进步也会促进测量精密度的提高,从而优化标准物质的定值准确度。目前,国外铀标准物质种类齐全,涵盖了铀含量、铀同位素、铀稀释剂以及杂质元素标准物质。

4.1.1铀含量标准物质

铀含量标准物质涉及铀金属、UO2芯块、U3O8以及硝酸铀酰等标准物质,包括9大类,分别为3种铀金属标准物质(CRM112-A、CRM115、CRM116-A)、3种UO2芯块标准物质(CRM125-A、EC-NRM110、CBNM106)、3种U3O8标准物质(CRM129-A、CRM146、CRM149)、3种硝酸铀酰标准物质(CRM145、CRMU045、CRM135)、10种UF6标准物质(IRMM-019~IRMM-027、CRM113-B)、18种铀溶液标准物质(IRMM-183~IRMM-187、EC-NRM-199、IRMM-3100a、IRMM-2019~IRMM-2029)、1种铀含量标准物质(CRM42)、1种铀岩石中标准物质(CRM1-A)、7种铀矿石标准物质(CRM4、CRM5、CRM101-A、CRM102-A、CRM103-A、CRM104-A、CRM105-A)。

4.1.2铀同位素标准物质

铀同位素标准物质铀同位素标准物质有49种,其编号分别为IRMM-072/1~IRMM-072/15、IRMM-074/1-IRMM-074/10、IRMM-075/1~IRMM-075/6、CRMUO002、CRMUO05-A、CRMU010、CRMU015、CRMUO20-A、CRMUO30-A、CRMU100CRM150、CRMU200、CRMU350、CRMU500、CRMU630、CRMU750、CRMU800、CRMU850、CRMU900、CRMUJ930-D、CRMU970.

4.1.3铀稀释剂标准物质

铀稀释剂标准物质分为5类,分别是2种233稀释剂标准物质(IRMM-051、CRM111-A)、2种235稀释剂标准物质(IRMM-050、IRMM-054)、3种238稀释剂标准物质(IRMM-052、IRMM-053、IRMM-056)、2种36稀释剂标准物质(IRMM-3660a、IRMM-3660b)、3种233U和23组成的混合稀释剂(IRMM-3636、IRMM-3636a、IRMM-3536b)

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4.2标准物质

标准物质是一种人造放射性元素,含有多种同位素,其中239Pu为主要核燃料之一,238Pu为制造心脏起搏器、空间能源的重要原料。我国从60年代初期就围绕着反应堆运行、辐照核燃料后处理开展分析方法研究。在建立分析方法的过程及应用中,标准物质发挥了极为重要的作用。目前,国外标准物质种类齐全,涵盖了含量、同位素、稀释剂、杂质元素以及K边标准物质。

4.2.1钚含量标准物质

钚含量标准物质包括钚金属、钚合金、二氧化钚以及四水硫酸钚等,具体情况如下:4种金属标准物质(CRM126、MP2、949f、E·C·201)、3种合金标准物质(UKPu1/80990.1011~1013、1016~1020)、2种二氧化标准物质(CRM122、EC-NRM210)、1种四水硫酸(NBS944)、2U-Pu-Nd硝酸溶液(UKUPuNd1/90085、UKUPuNd1/90088)。

4.2.2同位素标准物质

同位素标准物质主要分为3类,分别为11种硝酸固体(CRM128、CRM130、CRM131、CETAMA-MIRFI1、CNBM-IRM-290/A~CNBM-IRM-290/F)、4种硝酸钚溶液(UKPu3/92133、UKPu3/92134、UKPu3/92136、UKPu3/92138)、6种四水硫酸固体(NBS946~948、NBL136~138)。

4.2.3稀释剂标准物质

稀释剂标准物质种类较多,分别为2种239Pu稀释剂标准物质(IRMM-08la、IRMM-086)、1种240Pu稀释剂标准物质(IRMM-083)、4种242Pu稀释剂标准物质(CBNM-043CBNM-044、CBNM-049、CBNM-085)、2种244Pu稀释剂标准物质(IRMM-042a、IRMM-084)、5种335和23Pu组成的混合稀释剂标准物质(IRMM-1027a、IRMM-1027b、IRMMM-1027s、IRMM-1027g、IRMM-1027r)、2种233和242Pu组成的混合稀释剂标准物质(IRMM-046c、IRMM-090).

2.2.4杂质元素标准物质及K边标准物质

杂质元素标准物质包括20种,其编号分别为NBL127、NBS945、CEA系列GC.1(A-F)、CEA系列GC.2(G-L)、CEA系列GC.3(H2-L2)。混合K边界密度分析技术是一种非破坏性分析技术,在国外乏燃料后处理设施中已广泛应用,为此IRMM特意研发238T和239Pu混合物,了K边标准物质[23]。K边标准物质是其编号是IRMM-3501。

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4.3、镅、钍标准物质

对于镎、镅、钍三种元素而言,目前开发的标准物质较少。镅标准物质仅有一种,为硝酸溶液,其编号为IRMI-0243。二氧化的固体标准物质(IRMM-502)甚至没有公开销售。元素标准物质分为2类,其中硝酸溶液有三种标准物质(IRMM-035、IRMM-036、IRMM-061)、独居石中标准物质有五种(CRM106-A、CRM107-A、CRM108-A、CRM109-A、CRM110-A)。

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中国核标准物质研制情况

上世纪80年代,我国研制了多种达到国际水平且实用可靠的核标准物质,对国防工业高速发展起到了重要的保证作用,而且有力地加速了核技术的广泛应用和发展,但多集中于铀标准物质,对于钚、镎标准物质的研发较少。近年来,我国核标准物质的研制工作进展缓慢,远不能满足核工业发展的需要

5.1铀标准物质

国内铀标准物质共80多种,包括二氧化铀芯块、八氧化三铀、铀同位素、杂质元素成分分析标准物质等。曾开展过稀释剂标准物质研制工作,但未获得标准编号。目前现有的八氧化三铀成分分析标准物质(GBW04201)存量非常少,已不能满足需求;最新研制出10种八氧化三铀中铀同位素标准物质(GBW04483~GBW04493)尚未广泛应用7

5.2钚标准物质

上世纪80年代曾研制出唯一有关钚的钚标准物质(四水硫酸钚标准物质),但没有获得标准编号。目前国内钚标准物质较少,只有2类:另1种是二氧化钚钚含量(GBW04245)。

3.3镎、钍、镭标准物质

目前国内唯一研制出的标准物质是237Np放射性活度标准滚液(GBWO4328)。钍标准物质有2类,其中1种是钍粉末 放射源标准物质,编号为GBWO4307~GBW04309,GBW04325,第2种是钍液体放射源标准物质,编号为GBW04325,第2种是钍液体放射源标准物质,编号为BW04310~GBW04311。镭标准物质主要是碳酸钡镭中镭-266放射源标准物质,编号为BW04312~GBW04317。

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