核標(biāo)準(zhǔn)品發(fā)展歷程及未來趨勢

標(biāo)準(zhǔn)品是指具有一種或多種已知特性的核物質(zhì),是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一個分支,是核分析化學(xué)計量的核心,在核燃料循環(huán)生產(chǎn)過程中的控制分析和產(chǎn)品質(zhì)量分析、環(huán)境保護(hù)和公眾安全的核輻射測量、核臨界安全與核材料衡算等方面,核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)起著量值傳遞和質(zhì)量保證與控制作用。


核標(biāo)準(zhǔn)品的主要用途

標(biāo)準(zhǔn)品主要包括鈾钚含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、鈾钚同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及雜質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)品等。它們在核分析檢測中有多種用途,主要包括以下幾個方面:

用來校準(zhǔn)核儀器和設(shè)備,以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。例如,可以用核標(biāo)準(zhǔn)品來校準(zhǔn)質(zhì)譜儀、放射性計數(shù)器、中子活化分析儀等儀器。

用來評價和驗證核測量方法,以檢驗方法的準(zhǔn)確性、精密度、靈敏度、選擇性等性能指標(biāo)。例如,可以用核標(biāo)準(zhǔn)品來評價核素分析、同位素比測定、核材料定量分析的方法。

用來給其他核物質(zhì)或材料賦值,以確定其特性或成分。例如,可以用核標(biāo)準(zhǔn)品來給環(huán)境樣品、生物樣品、核燃料樣品等賦值,以監(jiān)測其放射性核素、同位素比、核材料含量等。

用來進(jìn)行質(zhì)量控制,以保證測量結(jié)果的可靠性和可比性。例如,可以用核標(biāo)準(zhǔn)品來檢查測量過程中的誤差、偏差、變異等,以及與其他實(shí)驗室或機(jī)構(gòu)的測量結(jié)果的一致性。

可以用來進(jìn)行計量仲裁和實(shí)驗室認(rèn)證,以解決測量結(jié)果的爭議或評估測量能力。例如,可以用核標(biāo)準(zhǔn)品來處理國內(nèi)外貿(mào)易中的質(zhì)量糾紛,或者對核測量實(shí)驗室的技術(shù)水平和條件進(jìn)行審查和評價。

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核標(biāo)準(zhǔn)品的發(fā)展歷程

標(biāo)準(zhǔn)品的發(fā)展始于20世紀(jì)50年代,隨著核能的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用,核標(biāo)準(zhǔn)品的需求和種類也不斷增加。最早的核標(biāo)準(zhǔn)品是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)和英國原子能研究所(AERE)等機(jī)構(gòu)制備的,主要用于核物理和核化學(xué)的研究。

核標(biāo)準(zhǔn)品的發(fā)展進(jìn)入高潮是在20世紀(jì)70年代,隨著核電、核武器、核醫(yī)學(xué)、核安全等領(lǐng)域的發(fā)展,核標(biāo)準(zhǔn)品的需求和種類進(jìn)一步增加。這一時期,出現(xiàn)了許多新的核標(biāo)準(zhǔn)品,如核燃料、核廢料、環(huán)境樣品、生物樣品等,同時也出現(xiàn)了許多新的核測量方法,如質(zhì)譜法、中子活化分析法、伽馬譜儀法等。

核標(biāo)準(zhǔn)品的發(fā)展進(jìn)入成熟期是在20世紀(jì)80年代至90年代,隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用和國際合作的增加,核標(biāo)準(zhǔn)品的需求和種類趨于穩(wěn)定,核標(biāo)準(zhǔn)品的制備和認(rèn)證也趨于規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化。這一時期,出現(xiàn)了許多國際核標(biāo)準(zhǔn)品組織,如國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)、歐洲核能共同體(EURATOM)、國際核標(biāo)準(zhǔn)品協(xié)會(INSA)等,以及許多國家和地區(qū)的核標(biāo)準(zhǔn)品機(jī)構(gòu),如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、英國國家物理實(shí)驗室(NPL)、中國原子能科學(xué)研究院(CIAE)等。

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核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制概況

目前國際上只有部分國家具有研究、生產(chǎn)并頒布有證核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM)的專業(yè)機(jī)構(gòu),其中美國是核標(biāo)準(zhǔn)品種最多、且定值水平和質(zhì)量信譽(yù)均得到國際公認(rèn)的國家。目前多數(shù)核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制和生產(chǎn)均來自于美國能源部的新布倫瑞克實(shí)驗室(NBL)。

由歐洲測量與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究院(IRRM)生產(chǎn)和頒布的核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)產(chǎn)品數(shù)量僅次于NBL。法國CETAMA、COGEMA、英國哈威爾實(shí)驗室、BNFL以及日本原子能研究所也生產(chǎn)了少量的核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),他們研制的核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要包括鈾、钚、镎和釷等,而且新增了镅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

目前生產(chǎn)種類最多的核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),多達(dá)200多種,包括鈾金屬、二氧化鈾芯塊、硝酸鈾酰、八氧化三鈾、六氟化鈾、鈾同位素、稀釋劑、雜質(zhì)元素等。钚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)共60多種,包括钚金屬、二氧化钚、硝酸钚、四水硫酸钚、稀釋劑、雜質(zhì)元素、K邊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。釷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有8種,镎標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)很難通過公開渠道獲得,新增的镅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)只有一種。

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鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

鈾是核燃料循環(huán)體系中最為關(guān)注的元素之一,其分析方法有多種,如重量法、庫侖法、分光光度法、激光熒光法、K邊界吸收法等。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可用于上述分析方法的驗證、儀器校準(zhǔn)和質(zhì)量控制。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性是十分重要的兩個特征,因此在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不斷研發(fā)的過程中,不易保持穩(wěn)定的鈾元素測量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)會逐漸被取代。例如穩(wěn)定性較好的燒結(jié)UO2芯塊逐步取代了NBL原有的兩種235U豐度不同的UO2粉末狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。分析儀器的逐漸發(fā)展和儀器制造的進(jìn)步也會促進(jìn)測量精密度的提高,從而優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值準(zhǔn)確度。目前,國外鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類齊全,涵蓋了鈾含量、鈾同位素、鈾稀釋劑以及雜質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

4.1.1鈾含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

鈾含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)涉及鈾金屬、UO2芯塊、U3O8以及硝酸鈾酰等標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),包括9大類,分別為3種鈾金屬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM112-A、CRM115、CRM116-A)、3種UO2芯塊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM125-A、EC-NRM110、CBNM106)、3種U3O8標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM129-A、CRM146、CRM149)、3種硝酸鈾酰標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM145、CRMU045、CRM135)、10種UF6標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-019~IRMM-027、CRM113-B)、18種鈾溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-183~IRMM-187、EC-NRM-199、IRMM-3100a、IRMM-2019~IRMM-2029)、1種鈾含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM42)、1種鈾巖石中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM1-A)、7種鈾礦石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM4、CRM5、CRM101-A、CRM102-A、CRM103-A、CRM104-A、CRM105-A)。

4.1.2鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有49種,其編號分別為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鈾稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

鈾稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分為5類,分別是2種233稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-051、CRM111-A)、2種235稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-050、IRMM-054)、3種238稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-052、IRMM-053、IRMM-056)、2種36稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-3660a、IRMM-3660b)、3種233U和23組成的混合稀釋劑(IRMM-3636、IRMM-3636a、IRMM-3536b)

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4.2標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是一種人造放射性元素,含有多種同位素,其中239Pu為主要核燃料之一,238Pu為制造心臟起搏器、空間能源的重要原料。我國從60年代初期就圍繞著反應(yīng)堆運(yùn)行、輻照核燃料后處理開展分析方法研究。在建立分析方法的過程及應(yīng)用中,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)發(fā)揮了極為重要的作用。目前,國外標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類齊全,涵蓋了含量、同位素、稀釋劑、雜質(zhì)元素以及K邊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

4.2.1钚含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

钚含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括钚金屬、钚合金、二氧化钚以及四水硫酸钚等,具體情況如下:4種金屬標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM126、MP2、949f、E·C·201)、3種合金標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(UKPu1/80990.1011~1013、1016~1020)、2種二氧化標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CRM122、EC-NRM210)、1種四水硫酸(NBS944)、2U-Pu-Nd硝酸溶液(UKUPuNd1/90085、UKUPuNd1/90088)。

4.2.2同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要分為3類,分別為11種硝酸固體(CRM128、CRM130、CRM131、CETAMA-MIRFI1、CNBM-IRM-290/A~CNBM-IRM-290/F)、4種硝酸钚溶液(UKPu3/92133、UKPu3/92134、UKPu3/92136、UKPu3/92138)、6種四水硫酸固體(NBS946~948、NBL136~138)。

4.2.3稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類較多,分別為2種239Pu稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-08la、IRMM-086)、1種240Pu稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-083)、4種242Pu稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(CBNM-043CBNM-044、CBNM-049、CBNM-085)、2種244Pu稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-042a、IRMM-084)、5種335和23Pu組成的混合稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-1027a、IRMM-1027b、IRMMM-1027s、IRMM-1027g、IRMM-1027r)、2種233和242Pu組成的混合稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-046c、IRMM-090).

2.2.4雜質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及K邊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

雜質(zhì)元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括20種,其編號分別為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邊界密度分析技術(shù)是一種非破壞性分析技術(shù),在國外乏燃料后處理設(shè)施中已廣泛應(yīng)用,為此IRMM特意研發(fā)238T和239Pu混合物,了K邊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[23]。K邊標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是其編號是IRMM-3501。

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4.3、镅、釷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

對于镎、镅、釷三種元素而言,目前開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)較少。镅標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)僅有一種,為硝酸溶液,其編號為IRMI-0243。二氧化的固體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-502)甚至沒有公開銷售。元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分為2類,其中硝酸溶液有三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(IRMM-035、IRMM-036、IRMM-061)、獨(dú)居石中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有五種(CRM106-A、CRM107-A、CRM108-A、CRM109-A、CRM110-A)。

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中國核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制情況

上世紀(jì)80年代,我國研制了多種達(dá)到國際水平且實(shí)用可靠的核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),對國防工業(yè)高速發(fā)展起到了重要的保證作用,而且有力地加速了核技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展,但多集中于鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),對于钚、镎標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研發(fā)較少。近年來,我國核標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制工作進(jìn)展緩慢,遠(yuǎn)不能滿足核工業(yè)發(fā)展的需要。

5.1鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

國內(nèi)鈾標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)共80多種,包括二氧化鈾芯塊、八氧化三鈾、鈾同位素、雜質(zhì)元素成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等。曾開展過稀釋劑標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制工作,但未獲得標(biāo)準(zhǔn)編號。目前現(xiàn)有的八氧化三鈾成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW04201)存量非常少,已不能滿足需求;最新研制出10種八氧化三鈾中鈾同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW04483~GBW04493)尚未廣泛應(yīng)用7

5.2钚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

上世紀(jì)80年代曾研制出唯一有關(guān)钚的钚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(四水硫酸钚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)),但沒有獲得標(biāo)準(zhǔn)編號。目前國內(nèi)钚標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)較少,只有2類:另1種是二氧化钚钚含量(GBW04245)。

3.3镎、釷、鐳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

目前國內(nèi)唯一研制出的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是237Np放射性活度標(biāo)準(zhǔn)滾液(GBWO4328)。釷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有2類,其中1種是釷粉末 放射源標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),編號為GBWO4307~GBW04309,GBW04325,第2種是釷液體放射源標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),編號為GBW04325,第2種是釷液體放射源標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),編號為BW04310~GBW04311。鐳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要是碳酸鋇鐳中鐳-266放射源標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),編號為BW04312~GBW04317。

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