Determination of Organic Acids and Inorganic Anions in Lithium-Containing Boric Acid-Treated Nuclear Power Plant Waters

Význam tématu

Voda využívaná v tlakovodních jaderných reaktorech je ozařována a upravována borovou kyselinou a hydroxidem lithným. Přítomnost stopových aniontů (fluorid, formiát, chlorid, síran) v sub-µg/L koncentracích může katalyzovat korozi kovových částí a poškodit palivové články. Metoda spolehlivě sleduje organické a anorganické anionty v takto upravených vodách, a to i při vysokých koncentracích boronátů a lithia.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem bylo rozšířit postup přímé injekce iontové chromatografie pro vzorky s obsahem lithia, odstranit rušivé kationty a stanovit nízké µg/L koncentrace cílových aniontů bez nutnosti předkoncentrace. Studie kombinuje kontinuálně regenerovaný katiónový trap (CR-CTC II) pro odstranění lithia a elektrolyticky generovaný tetraborát jako eluční fázi.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky a standardy byly připraveny gravimetricky s přesností při molárním ředění boru a lithia. Ve všech krocích se používala ultračistá vodu (18 MΩ·cm), filtrace a inertní plyny proti CO₂. Při analýze se aplikoval následující systém:

• Iontový chromatograf Dionex ICS-2100 s jedinou isokratickou pumpou
• Vakuumní odplyňovač a generátor eluční fáze (EGC II KOH)
• CR-CTC II kolona pro odstranění lithia a jiných kationtů
• IonPac ATC-HC aniontový trap (borátová forma)
• IonPac AG22 (2×50 mm) ochranná kolona a IonPac AS22 (2×250 mm) analytická kolona
• Anion Self-Regenerating Suppressor ASRS® 300, 2 mm, externí vodní provoz
• Autosampler AS s 10mL stříkačkou a plněním 1 000 µL
• Detekce potlačenou vodivostí při 85 mA

Hlavní výsledky a diskuse

Metoda umožnila separaci cílových aniontů na vysokokapacitní AS22 koloně za gradientu KOH (14→90 mM). Detekční limity (MDL) byly 0,015 µg/L pro fluorid, 0,056 µg/L pro formiát, 0,022 µg/L pro chlorid a 0,28 µg/L pro síran. Retenční časy i plochy píků vykazovaly vysokou přesnost (<0,1 % resp. <3 % RSD) za kontinuálních 17 analýz během 12 h. Obnova aniontů ze simulovaných boritých-lithných vod dosáhla 78–107 %. Měření prázdných injekcí potvrdila nízkou úroveň systémového šumu (7–8 µS, <15 nS drift).

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nevyžaduje předkoncentraci ani výměnu kolony, pracuje s 1 mL přímé injekce a jedním čerpadlem. Odstranění lithia v inline trapu eliminuje interferenci a zjednodušuje přípravu vzorků. Metoda nachází uplatnění v online nebo offline monitoringu čistoty primární chladicí vody PWR, ve QA/QC laboratořích a při vývoji rezidencí iontových výměníků.

Budoucí trendy a možnosti využití

Dalšími směry jsou automatiké sondy pro kontinuální odběr vzorků z primárního okruhu, miniaturizované chromatografické moduly pro in-situ monitoring a rozšíření na jiné neutronové moderátory. Dále lze metodu adaptovat pro analýzu kovových korozních produktů či radionuklidů aniontového charakteru, kombinovat s hmotnostní spektrometrií a zvyšovat citlivost a selektivitu potlačením pozadí.

Závěr

Popsaná metoda nabízí rychlou, přesnou a citlivou analýzu organických a anorganických aniontů v náročných boritých a lithných matricích primární chladicí vody jaderných reaktorů. Díky přímé injekci a inline odstranění kationtů lze dosáhnout nízkých MDL i v prostředí s vysokou úrovní borátu a lithia, což představuje efektivní nástroj pro korozní a kvalitativní kontrolu.

Reference

• Nordmann F. Aspects of Chemistry in French Nuclear Power Plants, 14th International Conference on the Properties of Water and Steam, Kyoto 2004, s. 521–530.
• Dionex Corporation. Application of Eluent Generation for Trace Anion Analysis of Borated Waters. Application Note 166, LPN 1654, 2004.
• Dionex Corporation. Determination of Trace Organic Acids and Inorganic Anions in Boric Acid-Treated Power Plant Waters Using an Automated Reagent-Free Ion Chromatography System. Application Note 185, LPN 1996, 2008.