Оценка чувствительности метода ИК спектроскопии для детектирования содержания радиоактивных изотопологов водяного пара

Существуют различные источники радиоактивных изотопологов H₂O на Земле. Они могут образовываться в атмосфере при взаимодействии с излучением из космоса, а также во время грозовых разрядов и с осадками поступать в водоемы и почву. Более значимы техногенные источники радиоактивных изотопологов Н₂О. Большое количество тритиевых изотопологов HTO и T₂O выбрасывается во время аварий на АЭС и ядерных взрывах. Например, после аварии на АЭС «Фукусима» в окружающую среду попало около 0,2–0,21 ПБк трития [1]. Радиоактивная вода, как и ее испарения представляют опасность для всего живого, поэтому необходим мониторинг содержания радиоактивных изотопологов Н₂О в воде и  воздухе.

 
    Наиболее долгоживущими кислородными радиоактивными изотопологами водяного пара являются Н₂¹⁴О, Н₂¹⁵О и Н₂¹⁹О, среди радиоактивных водородных изотопологов наиболее долгоживущие  тритиевые изотопологи НТО и T₂O (период полураспада трития 12,32 г.), поэтому они наиболее перспективны среди радиоактивных изотопологов Н₂О с точки зрения регистрации ИК спектра и обнаружения в испарениях радиоактивной воды. В настоящее время существует очень малое количество измерений спектров поглощения радиоизотопологов H₂O, и наши теоретические расчеты спектров поглощения могут помочь обнаружить эти вещества в испарениях радиоактивной воды. В отличие от имеющихся в настоящее время методов, основанных на заборе проб и регистрации бета-излучения, метод ИК спектроскопии может  измерять малое содержание изотопологов неинвазивно и в режиме реального времени.

В нашей работе исследуется чувствительность метода ИК спектроскопии для измерения содержания H₂¹⁹O, H₂¹⁵O, H₂¹⁴O и тритиевых изотопологов НТО и T₂O в испарениях радиоактивной воды. На основе наших новых теоретических расчетов  линий поглощения H₂¹⁹O, H₂¹⁵O, H₂¹⁴O [2-4] и расчетов HTO, T₂O [5] проведено моделирование пропускания излучения при широком варьировании концентраций изотопологов. С учетом перекрывания линий поглощения найдены спектральные интервалы в ИК диапазоне, наиболее перспективные для  обнаружения данных изотопологов в водяном паре. Сделаны оценки пороговых значений их концентраций, которые могут быть обнаружены в спектрах поглощения водяного пара в лабораторных и атмосферных условиях.  Показано, что  изотопологи HT¹⁶O и T₂¹⁶O могут быть обнаружены в парах тритиевой воды при их содержании 0,01-0,05% от содержания H₂¹⁶O в зависимости от спектрального интервала. Изотопологи H₂¹⁹O, H₂¹⁵O, H₂¹⁴O хорошо обнаруживаются в спектре радиоактивного водяного пара при их содержании более 0,1% от содержания H₂¹⁶O.

Работа выполнена в рамках Государственного задания ИОА СО РАН.

1. K. Kheamsiri, D. Anderson, H. Tazoe, et al. Elevated levels of tritium in surface water collected in the immediate aftermath of the Fukushima accident // Environmental Pollution. 2025. P.126040

  
2. Voronin B.A., Tennyson J., Yurchenko S. N., Chesnokova T.Yu., Chentsov A.V., Bykov A.D., Makarova M.V., Voronina S.S., Cruz F.C. // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, V.311, 2024, N.124007, P.1-12.

 
3. B.A. Voronin, J. Tennyson, T.Yu. Chesnokova, A.V. Chentsov, A.D. Bykov  // Mol Phys. 2024. V.122. N5.  

4. B.A. Voronin, J. Tennyson, T. Yu. Chesnokova, A. V. Chentsov, A. D Bykov // J. of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2024.  V. 333. P. 4945–4954

  
5. https://spectra.iao.ru/molecules