DEVELOPMENT OF RAPID METHODOLOGIES FOR THE DETERMINATION OF STRONTIUM-90 IN WATER USING TRIPLE-TO-DOUBLE COINCIDENCE RATIO (TDCR) ČERENKOV COUNTING AND LIQUID SCINTILLATION ASSAY TECHNIQUES

Abstract

Strontium-90 (90Sr) is an anthropogenic contaminant that is present in the environment from spent nuclear fuel, radioactive waste, and atmospheric fallout from nuclear weapon tests and major nuclear incidents. Strontium-90 is one of the most hazardous and radiotoxic radioisotopes, due to its relative long half-life and high mobility in the environment. Because of its significant health hazards, 90Sr needs to be measured accurately. The radioanalytical capabilities for the determination of 90Sr in the environment are challenged by matrix interferences, which often result in less effective, long, and tedious determination methods. Moreover, a number of shortcomings were found in the current seawater 90Sr methods following the Fukushima Daiichi nuclear power accident in March 2011. Thus, the need for effective, rapid, and simple procedures is on-going. In the present dissertation, the advancements in modern technologies were used to minimize some of the gaps in current radioanalytical capabilities used for the determination of 90Sr in water. The present work considered techniques at moderate and low levels of detection, and in each case undertook to produce methodologies with increased speed of analysis and greater efficiency. A triple-to-double coincidence ratio (TDCR) Čerenkov counting technique using a Hidex liquid scintillation counter was developed for the indirect determination of 90Sr from 90Y at equilibrium activity concentrations of 90Sr-90Y. The technique was fast and simple with excellent performance test results. For low level 90Sr determination in water, pre-concentration using semi-selective co-precipitation and highly selective extraction chromatography techniques were used. Freshwater 90Sr was determined directly as well as indirectly from 90Sr-90Y equilibrium activity concentrations. The method employed (1) co-precipitation of freshwater 90Sr-90Y using calcium phosphate in alkaline conditions; (2) sequential purification of 90Sr and 90Y on Sr-Resin® and DGA-N® extraction chromatography columns, respectively; and (3) detection of 90Sr by liquid scintillation assay (LSA) at two different time intervals and that of 90Y using both Čerenkov counting and LSA. Seawater 90Sr was determined indirectly from 90Y at equilibrium activity concentrations of 90Sr-90Y. The method used (1) co-precipitation of seawater 90Y using calcium carbonate and hydrous titanium oxide in alkaline conditions; (2) purification of 90Y on DGA-N® resin; and (3) detection of 90Y using both Čerenkov counting and LSA. The methods’ performance evaluation demonstrated excellent agreement between measured and expected activities of spiked 90Sr-90Y standard solution. Effective implementation of the freshwater method on natural water samples containing a wide range of 90Sr-90Y concentrations was also achieved.

Le strontium-90 (90Sr) est un contaminant anthropogénique présent dans l’environnement et provenant de combustible nucléaire usé, de déchets radioactifs, et de retombées atmosphériques des essais d’armements nucléaires et des incidents nucléaires majeurs. Le strontium-90 est l’un des radio-isotopes les plus dangereux et les plus radiotoxiques, à cause de sa demi-vie relativement longue et de sa grande mobilité dans l’environnement. À cause des dangers non négligeables à la santé qu’il représente, le 90Sr se doit d’être mesuré précisément. La radio-analyse visant à la détermination du 90Sr dans l’environnement doit répondre aux défis causés par les interférences des matrices qui rendent souvent les méthodes de détermination moins efficaces, longues et fastidieuses. De plus, un nombre de manquements ont été trouvés pour les méthodes courantes d’analyse du 90Sr dans l’eau de mer à la suite de l’accident de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi en mars 2011. D’où le besoin de procédures efficaces, rapides et simples. Dans cette thèse-ci, on présente les progrès de technologies modernes qui minimisent certains des manquements des capacités de radio-analyse courante pour la détermination du 90Sr dans l’eau. Le présent travail considère des techniques pour la détection à des niveaux modérés et faibles et, pour chacun des cas, entreprend de développer des méthodologies d’analyse plus rapides et ayant une meilleure efficacité. On a développé une technique de comptage d’émission Čerenkov par rapport de coïncidence triple-à-double (RCTD) en utilisant un compteur par scintillation liquide Hidex pour la détermination indirecte du 90Sr à partir du 90Y en concentrations à l’équilibre d’activité de 90Sr-90Y. La technique ainsi obtenue est rapide et simple avec une excellente performance pour les résultats des tests. Pour la détermination du 90Sr à faible niveau dans l’eau, on a utilisé une pré-concentration par co-précipitation semi-sélective et extraction par chromatographie hautement sélective. La teneur en 90Sr dans l’eau douce a été déterminée directement aussi bien qu’indirectement pour des concentrations de 90Sr-90Y à l’équilibre. La méthode utilisait (1) la co-précipitation de 90Sr-90Y dans l’eau douce par du phosphate de calcium dans des conditions alcalines; (2) une purification séquentielle du 90Sr et du 90Y dans des colonnes d’extraction par chromatographie Sr-Resin® et DGA-N®, respectivement, et; (3) la détection du 90Sr par analyse par scintillation liquide (ASL) pour deux intervalles de temps et, pour le 90Y, la détection à l’aide du comptage Čerenkov et aussi par ASL. La teneur du 90Sr dans l’eau de mer fut déterminée indirectement à partir de celle du 90Y pour des concentrations de 90Sr-90Y à l’équilibre d’activité. Cette méthode comprenait (1) la co-précipitation du 90Y dans l’eau de mer à l’aide de carbonate de calcium et d’oxyde de titane hydraté en conditions alcalines; (2) la purification de 90Y sur résine DGA-N® et; (3) la détection du 90Y par comptage Čerenkov et aussi par ASL. L’évaluation de la performance des méthodes a démontré un excellent accord entre les activités mesurées et attendues de solutions standard de 90Sr-90Y. On a aussi réussi une mise en œuvre effective de la méthode pour l’eau douce avec des échantillons d’eau naturelle contenant une vaste gamme de valeurs pour les concentrations de 90Sr-90Y.