Разработка системы химического он-лайн контроля процесса переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) на основе оптической спектроскопии, электрохимических сенсоров и методов машинного обучения.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00151

НазваниеРазработка системы химического он-лайн контроля процесса переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) на основе оптической спектроскопии, электрохимических сенсоров и методов машинного обучения.

Руководитель Кирсанов Дмитрий Олегович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-503 - Ядерный топливный цикл, нераспространение

Ключевые слова PUREX-процесс, он-лайн контроль, оптическая спектроскопия, электрохимические сенсоры, машинное обучение, хемометрика.

Код ГРНТИ61.31.61, 61.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Широкое развитие атомной энергетики во всем мире ведет к накоплению значительных количеств облученного ядерного топлива (ОЯТ). В рамках закрытого топливного цикла ОЯТ подвергается переработке для извлечения и повторного использования содержащихся в нём урана и плутония. Гидрометаллургический PUREX (Plutonium-Uranium Extraction) процесс – наиболее широко разработанный и применяемый метод переработки ОЯТ, который реализован на промышленном уровне. PUREX-процесс – это многостадийная процедура, включающая экстракцию урана и плутония (а также, как правило, нептуния и технеция) с отделением их от продуктов деления и минорных актинидов (америций и кюрий) и далее получение чистых плутония и урана на стадиях селективной реэкстракции. Как и все технологические процессы, PUREX требует тщательного контроля на всех этапах, в первую очередь химического. Нештатное протекание процесса может привести к серьезным экономическим и экологическим последствиям. Ключевыми компонентами среды переработки ОЯТ, содержание которых необходимо контролировать являются уран, плутоний, азотная кислота и редкоземельные элементы (РЗЭ). В настоящее время возможности аналитического контроля состава среды переработки ОЯТ крайне ограничены. Определение широкого круга элементов в среде ОЯТ возможно с помощью методов, основанных на индуктивно-связанной плазме: ИСП-МС (масс-спектрометрия), ИСП-ААС/АЭС (атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионный варианты). Несмотря на то, что чувствительность и селективность ИСП-методов очень высоки, ряд существенных трудностей ограничивает их широкое применение для мониторинга состава среды переработки ОЯТ: долгая и трудоемкая пробоподготовка, высокая стоимость оборудования и расходных материалов, необходимость привлечения высококвалифицированного персонала. Кроме того, самым серьезным недостатком ИСП-методов является следующее обстоятельство: результаты анализа обычно доступны только через несколько часов после отбора пробы из технологической линии. Это сильно ограничивает возможности он-лайн мониторинга и адекватного управления процессом переработки. Задача настоящего проекта заключается в создании аналитической методологии контроля содержания ключевых компонентов в растворах цикла переработки ОЯТ на основе использования оптической спектроскопии и электрохимических сенсоров с последующей обработкой аналитических сигналов методами машинного обучения (методами хемометрики). Наши предварительные исследования, а также результаты работ исследователей из США, показали, что такой подход позволяет быстро получать качественную и количественную информацию о составе технологических растворов переработки ОЯТ и может применяться в качестве инструмента он-лайн мониторинга. Проект направлен на решение целого ряда проблем, возникающих при переносе лабораторных исследований в производственную аналитическую практику. Научная новизна проекта заключается в предлагаемых подходах к получению аналитических сигналов в режиме он-лайн и их последующей обработке. Конечной целью предлагаемой работы является использование разработанной методологии на предприятиях Госкорпорации «Росатом». Актуальность предлагаемых исследований не вызывает сомнений, и закреплена в списках приоритетных направлений развития и критических технологий РФ. Проект будет реализован совместно с Радиевым Институтом им. В.Г. Хлопина (РИ) – ведущим российским научным учреждением в области обращения с ОЯТ и является тщательно спланированной серией работ, проводимых научными группами с высокой профессиональной квалификацией из Санкт-Петербургского государственного университета и РИ. Постановка задачи проекта и ожидаемые результаты работы абсолютно оригинальны. Все запланированные в проекте исследования превосходят достигнутый мировой уровень или, как минимум, ему соответствуют.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ярошенко И. С., Аляпышев М.Ю., Бабаин В. А., Легин А. В., Кирсанов Д. О. Потенциометрические сенсоры и мультисенсорные системы для определения лантанидов Журнал аналитической химии (год публикации - 2019)

2. Оленева Е.С., Савосина Ю.С., Агафонова-Мороз М.С., Лумпов А.А., Бабаин В.А., Джагацпанян И.Э., Легин А.В., Кирсанов Д.О. Potentiometric multisensor system for tetra- and hexavalent actinide quantification in complex rare earth metal mixtures related to spent nuclear fuel reprocessing Sensors And Actuators B: Chemical (год публикации - 2019)

3. Оленева Е.С., Хайдукова М.М., Ашина Ю.С., Ярошенко И.С., Легин А.В., Кирсанов Д.О. A simple procedure to assess limit of detection for multisensor systems ACS Sensors (год публикации - 2019)

4. Кирсанов Д.О., Савосина Ю.С., Агафонова-Мороз М.С., Легин А.В., Бабаин В.А. Development of multisensor arrays for monitoring of spent nuclear fuel reprocessing 6th International Symposium on Sensor Science Book of Abstracts, 6th International Symposium on Sensor Science Book of Abstracts, p. 61 (год публикации - 2018)

5. Мария Хайдукова, Данила Милицын, Михаил Карнаух, Богумир Грюнер, Павел Селюцкий, Василий Бабаин, Андреас Вильден, Дмитрий Кирсанов, Андрей Легин Modified Diamide and Phosphine Oxide Extracting Compounds as Membrane Components for Cross-Sensitive Chemical Sensors Chemosensors, Chemosensors 2019, 7, 41 (год публикации - 2019)
10.3390/chemosensors7030041

6. Марина Агафонова-Мороз, Юлия Савосина, Юрий Ворошилов, Сергей Лукин, Александр Лумпов, Василий Бабин, Екатерина Оленева, Андрей Легин, Дмитрий Кирсанов Quantification of thorium and uranium in real process streams of Mayak radiochemical plant using potentiometric multisensor array Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry (год публикации - 2019)
10.1007/s10967-019-06941-8

7. Виталий Соловьев, Александр Варнек, Василий Бабаин, Валерий Полукеев, Юлия Ашина, Евгений Легин, Андрей Легин, Дмитрий Кирсанов QSPR modeling of potentiometric sensitivity towards heavy metal ions for polymeric membrane sensors Sensors and Actuators B: Chemical, Sensors & Actuators: B. Chemical 301 (2019) 126941 (год публикации - 2019)
10.1016/j.snb.2019.126941

8. Виталий Панчук, Валентин Семенов, Юлия Ашина, Андрей Легин, Константин Михельсон, Дмитрий Кирсанов Feasibility study of Mössbauer spectroscopy as a tool to explore PVCplasticized potentiometric sensor membranes Sensors and Actuators, B: Chemical, Sensors & Actuators: B. Chemical 298 (2019) 126880 (год публикации - 2019)
10.1016/j.snb.2019.126880

9. Парастар Х., Кирсанов Д.О. Analytical Figures of Merit for Multisensor Arrays ACS Sensors, vol 5, 2, pp. 580–587 (год публикации - 2020)
10.1021/acssensors.9b02531

10. Савосина Ю.С., Агафонова-Мороз М.А., Ярошенко И.С., Ашина Ю.С., Бабаин В.А., Лумпов А.А., Легин А.В., Кирсанов Д.О. Plutonium (IV) Quantification in Technologically Relevant Media Using Potentiometric Sensor Array Sensors, vol 20, paper # 1604 (год публикации - 2020)
10.3390/s20061604

11. Мартынко Е.А., Соловьев В.П., Варнек А.А., Легин А.В., Кирсанов Д.О. QSPR Modeling of Potentiometric Mg2+/Ca2+ Selectivity for PVC-plasticized Sensor Membranes Electroanalysis, vol 32, pp. 792 –798 (год публикации - 2020)
10.1002/elan.201900648

12. Дебю Б., Панчук В.В., Гусев Б.А., Савинов С.С., Попков В.И., Легин А.В., Семенов В.Г., Кирсанов Д.О. On the potential and limitations of multivariate curve resolution in Mӧssbauer spectroscopic studies Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems (год публикации - 2020)
10.1016/j.chemolab.2020.103941

13. Ярошенко И.С, Кирсанов Д.О., Марьянович М., Либерцайт П., Коростынска О., Мейсон А., Фрау И., Легин А.В. Real-Time Water Quality Monitoring with Chemical Sensors Sensors, vol. 20, paper #3432 (год публикации - 2020)
10.3390/s20123432

14. Мартынко Е.А., Кирсанов Д.О. Application of Chemometrics in Biosensing: A Brief Review Biosensors, vol. 10(8), paper # 100 (год публикации - 2020)
10.3390/bios10080100

15. Юлия Савосина, Марина Агафонова-Мороз, Мария Хайдукова, Андрей Легин, Василий Бабаин, Петр Толстой, Дмитрий Кирсанов On the Radiolytic Stability of Potentiometric Sensors with Plasticized Polymeric Membranes Chemosensors, 9, 214. (год публикации - 2021)
10.3390/chemosensors9080214

Публикации