An optimized radiochemical method for the determination of Cl-36 and I-129 in irradiated concrete

The radiological characterization of radioactive waste is a complex yet necessary activity to achieve proper waste classification and identify the best disposal route. For irradiated concrete, an accurate characterization is especially important to define an efficient waste management strategy, as the volume of this waste is large. Yet, a thorough characterization is often complicated by the presence of some elusive radionuclides, so called hard-to-measure; two of such isotopes are 36Cl and 129I, whose quantification in irradiated concrete is still a challenging and laborious task. The goal of this thesis was to develop an optimized method for the simple and rapid determination of 36Cl and 129I in irradiated concrete to support the decommissioning activities. The starting point was a review of the methods documented in the scientific literature to date. In particular, an internal method developed by the Joint Research Center (JRC) of Ispra was experimentally investigated. It consists of a 2-steps leaching followed by chromatographic separation of Cl and I to be measured by Liquid Scintillation Counting (LSC). It was found that the leaching yielded to 80-90% analyte recovery, but it was unnecessarily wasteful and was thus optimized. It was also found that the chromatographic separation entailed an analyte loss of 60%; it was hence discarded and a new approach investigated. The chromatographic separation of Cl was thus replaced by the selective precipitation of the halides and subsequent re-dissolution, whose robustness was thoroughly characterized. To further suppress interferences, it was proposed to measure 36Cl by LSC in Cherenkov mode and 129I by mass spectrometry. The new method entailed an improvement of time-intensiveness and ease of use without renouncing to performance. Indeed, a sample can be processed in a workday, compared with the at least two of the JRC procedure, while improving the analyte yield to 85%, to be compared with the 40% of the JRC procedure. The method also proved to be robust with respect to interferences and easily scalable to large masses to lower the minimum detectable activity down to <10 mBq/g.

La caratterizzazione radiologica dei rifiuti radioattivi è una attività complessa ma necessaria per stabilirne la corretta classificazione e identificarne la miglior via di smaltimento. Dato che per il calcestruzzo irraggiato il volume di rifiuti è molto grande, una caratterizzazione accurata è importante per definire una strategia efficiente di gestione per questo tipo di materiale. Una caratterizzazione completa è tuttavia spesso complicata dalla presenza di alcuni radionuclidi elusivi, detti hard-to-measure, tra cui 36Cl e 129I, la cui quantificazione nel cemento irraggiato è ancora un compito complesso e laborioso. L’obiettivo di questa tesi consiste nello sviluppo di un metodo ottimizzato per la misura rapida e semplice di 36Cl e 129I nel calcestruzzo irraggiato per supportare le attività di smaltimento dei rifiuti. Il punto di partenza è stato una revisione dei metodi presenti ad oggi in letteratura scientifica. In particolare, un metodo interno sviluppato presso il Joint Research Center (JRC) di Ispra, costituito da una lisciviazione seguita da una separazione cromatografica di Cl e I da misurare tramite Scintillazione Liquida (LSC), è stato testato sperimentalmente. Si è mostrato che la lisciviazione del calcestruzzo ha una resa del 80-90% ma è inutilmente dispendiosa; è stata quindi ottimizzata. Si è poi mostrato che la cromatografia porta ad una perdita di analita del 60%. La separazione cromatografica del Cl è stata quindi sostituita dalla precipitazione selettiva degli alogeni e successiva ri-dissoluzione, la cui robustezza è stata caratterizzata approfonditamente. Per sopprimere ulteriormente le interferenze, si è proposto di misurare il 36Cl con LSC in modalità Cherenkov e il 129I con spettrometria di massa. Il nuovo metodo presenta miglioramenti in termini di rapidità e semplicità senza rinunciare alla performance. Infatti, un campione può essere processato in una giornata con una resa del 85%, da paragonarsi con le almeno due giornate della procedura JRC e relativa resa del 40%. Inoltre, il metodo si è dimostrato robusto rispetto alle interferenze e scalabile a masse elevate di campione per portare la minima attività rilevabile a <10 mBq/g.