Development of a separation method using UTEVA and DGA resins for the quantification of plutonium and americium in brown algae by alpha spectrometry

Abstract

Introduction: Decades of nuclear activities have polluted marine environments with transuranium actinides.

Background: Brown algae have frequently been used as marine bioindicators of radioactivity, but current literature describing the sequential separation and determination of Pu and Am from brown algae matrices is sparse, and does not make use of recent extraction chromatographic resins such as DGA.

Aim: The aim of this project was to develop such a method, paying particular attention to achieving a high recovery at ultratrace (< ppm) levels.

Method: The samples were pretreated with acid leeching, and preconcentrated with iron-coprecipitation. UTEVA and DGA columns were used to extract Pu and Am respectively, separating them from elements that could interfere during source preparation and analysis. Sources were prepared by electrodeposition, and quantified by alpha spectrometry.

Results: Seven different sets of conditions were evaluated for source preparation with electrodeposition. An improvement over the starting method was obtained with an ammonium oxalate (0.3 M) - HCl (0.3 M) electrolyte, a current of 0.6 A, and time of 75 minutes, 114% ± 18% and 70% ± 10% (n = 7) for Pu and Am respectively. A final gross recovery with UTEVA of 102% ± 14% (n = 4) was obtained with only tracers, and 54% ± 6% (n = 4) with seaweed samples. Net recoveries of Am on DGA ranged from 9--84\% with only tracers, and for brown algae samples a gross recovery of 51% was obtained. The concentration of 239+240Pu from Fucus serratus collected in 2018 was estimated to 15.8 mBq/kg DW, significantly lower than what was measured from the same site in the 1990s. Both 238Pu and 241Am was found to be below the minimum detectable activity of approximately 0.1 mBq/kg DW.

Conclusion: A selective separation method with satisfactory recoveries was developed for Pu, with a high precision in the estimate of 239+240Pu. The Am separation method on DGA was selective, but it will be possible to improve the repeatability of the recovery. A basis for further lowering of the minimum detectable activities for both Pu and Am was established.

Popular Abstract (Swedish)

Sedan generationer tillbaka har kärnkraft och kärnvapen använts för deras oöverträffade förmåga att frigöra energi. Detta har satt sitt spår på bland annat havsmiljöer världen över, i vilka föroreningar av mänskligt framställda radioaktiva ämnen kan hittas. Lyckligtvis är nivåerna av radioaktiva ämnen i haven idag inte så höga att de utgör någon direkt fara för varken människor eller djurliv, men det finns fortsatt ett intresse att följa dessa nivåer utifall att fler utsläpp skulle ske. Eftersom världens hav är så ofattbart stora så späder de ut även enorma utsläpp till nästan omätbara nivåer, och det är därför mycket lättare att göra mätningar på växter, eftersom de samlar på sig föroreningarna. I det här projektet användes en brunalg som samlats in varannan månad sedan 1967 ifrån Särdal på västkusten.

De radioaktiva ämnen som var av intresse i det här projektet var plutonium och americium, vilka främst släppts ut i haven genom nedfall från kärnvapenexplosioner. Halterna av plutonium och americium går att mäta indirekt genom strålningen de avger, men strålningen ifrån brunalger går inte att mäta direkt eftersom den absorberas av andra ämnen i dem. Det behövs alltså en metod för att ta bort allt det ointressanta ur brunalgerna, men samtidigt spara så mycket som möjligt av allt plutonium och americium. Ett exempel på en teknik som kan användas som en del i en sån metod kallas för extraktionskromatografi. Det finns tidigare metoder som använder extraktionskromatografi för att ta ut plutonium och americium ur brunalger, men det finns möjlighet att både förbättra och göra dem enklare genom att kombinera två varianter som kallas UTEVA och DGA. Denna kombination har tidigare använts för att ta ut plutonium och americium i jord, men inte ur brunalger.

I det här projektet användes starka syror för att laka ut plutonium och americium ur aska av brunalger. Plutonium och americium kunde sen tas ut och renas med UTEVA och DGA. Plutonium och americum, som ju är metaller, pläterades sen på ytan av polerade stålmynt. Mynten stoppades in i en alfa-spektrometer för att räkna strålningen ifrån plutonium och americium, så att halten av dem i brunalgerna kunde beräknas. En metod utvecklades där allt plutonium och 70% av allt americium kunde pläteras på stålmynten, vilket var högt. Genom hela processen kunde hela 51% av det plutonium som fanns i brunalgerna kunde tas ut och behållas, och halten var ungefär 7 gånger lägre än på 90-talet. Resultaten för americium var mycket mer svängiga, men en bra grund lades för vidare arbete. Framöver kommer metoden att förbättras vidare, utvecklas för en annan sorts brunalg, och sen användas för att mäta hur halterna av plutonium och americium har förändrats över tid sen slutet av 60-talet.

• author: Norberg, Mynta
• supervisor: Guillaume Pedehontaa-Hiaa
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMR30 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: radioanalytical chemistry, analytical chemistry, radiometric analysis, alpha spectrometry, electrodeposition, extraction chromatography, UTEVA, DGA, alpha radiation, plutonium, americium, seaweed, brown algae, fucus serratus, fucus vesiculosus, analytisk kemi
• language: English
• id: 9020052
• date added to LUP: 2020-06-18 13:45:09
• date last changed: 2020-06-18 13:45:09