9.9.3 알파분광분석기에 의한 플루토늄 시험

가.시험법 적용범위

식품 중 플루토늄-238, 플루토늄-239, 플루토늄-240 시험에 적용한다.

나. 분석원리

플루토늄을 이온교환 수지 등을 이용하여 선택적으로 분리한 후 전기 전착하여 진공 챔버에서 표면장벽 검출기를 이용하여 알파선 방사능을 측정한다.

다.장치

알파분광분석기

라. 시약 및 시액

표준선원: 플루토늄-238, 내부표준선원: 플루토늄-242

마. 검체 조제

1)항량된 도가니에 검체
100 g을 정확히 취하여 넣고 95°C의 건조기에서 약 3∼10시간 건조한다.

2)건조된 것을
회화로에 넣고 온도를 단계별로 설정하여 600℃를 넘지 않는 온도로 회화하여 쉽게 잿가루가 될 수 있는 정도로 만들고, 회화 후 도가니와 회분의 무게를 측정한다.

3) 회화된 것을
막자사발에서 충분히 분쇄·혼합하여 저장용기에 넣어 상온 보관한다.

바. 시험용액의 조제

1)시료용액 조제

검체 50 g에 해당하는건조-회화한 회분을톨비커에 정확히 취한다. 내부표준선원(Pu-242)을회분 시료에 넣어준 후 무게를 측정한다. 8 M HNO325 mL를 첨가 후 95℃에서 최소 12시간 이상 가열한다. 가열된 비커를 식힌 뒤 진한 염산을 4～5방울 첨가한다.

2)컬럼 정제

플루토늄용 컬럼에 플루토늄용 레진(Anion exchange resin)을 5 cm(9.33 g) 높이까지 충전한다. 8 M HNO325 mL를 컬럼에 첨가하여 통과 시킨 후 여과지에 시료용액을 첨가하여 컬럼을 통과 시킨다. 8 M HNO330 mL로 시료액이 담겨있던 비커를 세척 후 컬럼에 첨가하여 통과 시킨다.

3)추출

가) 플루토늄 동위원소 추출

플루토늄용 컬럼에 3 M HNO330 mL를 부어준다. 용액이 통과하면 9 M HCl 60 mL를 첨가한다. 용액이 통과하면 0.1 M NH4I / 9 M HCl 용액 80 mL를 컬럼에 통과시켜 100 mL 비커에 받아낸다. 이 용액을 플루토늄 시험용액으로 한다.

4)플루토늄 전기전착

가) 플루토늄 시험용액이 담긴 비커를 95°C에서 증발·건고시키고, 용액이 반 정도 증발했을 때 진한 질산 5 mL와 0.3 M Na2SO41 mL를 첨가한다.

나)용액이 완전히 증발하면 진한 황산 0.3 mL를 첨가하여 95°C에서 약 10분 동안 가열한다.

다) 상온에서 약 10분 동안 방냉 후 초순수 4 mL를 첨가하고, 0.4% Thymol blue 지시약을 소량 첨가한다.

※ 초순수 : 역침투막 정제 등에 의해 17 MΩ/cm까지 정제한 증류수

라) 암모니아수와 1% H2SO4을 이용하여 pH를 2.1∼2.4로 조정한다.

마) 시험용액을 스테인리스스틸디스크(SSD)가 장착된 전기전착 셀에 옮기고, 초순수로 비커를 3 mL씩 3회 세척 후 셀에 옮긴다.

바) 백금와이어를 SSD와 3∼5 mm 간극이 되도록 전착기에 고정한다.

사) 1 A 전류에서 1시간 30분 동안 전착시킨다.

아) 전착이 끝나기 약 1분 전에 암모니아수를 1 mL 첨가한다.

자) 전착된 SSD는 분리 후 초순수로 세척하여 110°C 가열판 위에서 건조한다.

사. 시험조작

1) 알파선 핵종 시험

알파분광분석기를 사용하여 다음과 같이 시험한다.

가) 측정 장치의 전원을 켜고 진공조건은 40 mTorr 이하로 한다. 검체의 최소 측정시간은 300,000초로 한다. 측정조건에 따라 측정시간을 증가 시킬 수 있다.

나) 플루토늄 스펙트럼을 획득한 후 플루토늄 동위원소별 이론적 에너지 및 방출율로 검출기별 에너지영역(region of interest, ROI)을 설정하고, 각 ROI 피크에 해당하는 계측값(integral)을 확인한다.

다) 얻어진 스펙트럼을 각 핵종에 대한 알파선 방출비율이 가장 큰 피크에너지를 기준으로 Peak와 영역대를 확인한다(내부표준선원 플루토늄-242 기준).

※ [예시]

Pu-238[5.46(29%), 5.50(71%) MeV]

Pu-239[5.10(12%), 5.14(15%), 5.16(73%) MeV]

Pu-240[5.17(73%), 5.12(27%) MeV]

Pu-242[4.86(23%), 4.90(77%) MeV]

라) 플루토늄에 대한 방사능은 다음 식으로 산출한다.

① 플루토늄의 방사능 산출

검출기별 백그라운드 계측값, 내부표준선원(242Pu) 계측값, 시료 계측값 등을 이용하여 다음 식에 따라 플루토늄 동위원소별 방사능을 산출한다.

A : 방사능

rg: Pu 동위원소(238Pu,239,240Pu)의 총 계측값

rgt: Pu 내부표준선원(242Pu)의 총 계측값

ro: Pu 동위원소(238Pu,239,240Pu) ROI의 백그라운드 계측값

rot: Pu 내부표준선원(242Pu) ROI의 백그라운드 계측값

B : Pu 내부표준선원(242Pu)의 방사능(Bq)

M : 검체의 무게(g)

② 플루토늄의 계측효율 산출

혼합 알파표준선원(238U,234U,239Pu,241Am) 디스크를 10,000초 동안 측정한 후 다음 식에 따라 각 검출기별 플루토늄 계측효율을 산출한다.

E : 계측효율

rg: 혼합 알파표준선원 중 플루토늄(239Pu)의 총 계측값(counts)

t : 계측시간(sec)

B : 혼합 알파표준선원 중 플루토늄(239Pu)의 방사능(Bq/disk)

③ 플루토늄의 회수율 산출

검출기별 백그라운드 계측값, 계측효율, 내부표준선원(242Pu) 계측값 등을 이용하여 다음 식에 따라 플루토늄 회수율을 구한다.

R : 회수율

rgt: Pu 내부표준선원(242Pu)의 총 계측값

rot: Pu 내부표준선원(242Pu) ROI의 백그라운드 계측값

t : 계측시간(sec)

E : 계측효율(%)

B : Pu 내부표준선원(242Pu)의 방사능(Bq)

④플루토늄의 정량한계(MDA) 산출

검출기별 백그라운드 계측율, 계측효율, 회수율 등을 이용하여 다음 식에 따라 플루토늄 동위원소별 정량한계(MDA) 농도를 산출한다.

rBKG: Pu 동위원소(238Pu,239,240Pu) ROI의 백그라운드 계측율(counts/sec)

tBKG: 백그라운드의 계측시간(sec)

t : 시료의 계측시간(sec)

E : 계측효율(%)

R : 회수율(%)

M : 검체의 무게(g)