ISO 6863:2024

Nuclear fuel technology — Preparation of spikes for isotope dilution mass spectrometry (IDMS)

This document specifies a method which applies to the preparation and validation of the standard materials generally called “large size spikes” with an uncertainty suitable for international nuclear safeguards used for measuring the content of plutonium and/or uranium by isotope dilution mass spectrometry. This measurement methodology can be applied to input solutions of irradiated Magnox and light water reactor fuels (boiling water reactor or pressurized water reactor); in final products at spent-fuel reprocessing plants; in feed and products of mixed oxide of plutonium and uranium (MOX); and in uranium fuel fabrication.

Technologie du combustible nucléaire — Préparation de traceurs pour les analyses par spectrométrie de masse avec dilution isotopique (IDMS)

Le présent document spécifie une méthode qui s'applique à la préparation et à la validation des matériaux étalons généralement appelés «traceurs de grande taille» avec une incertitude correspondant aux garanties internationales de sécurité dans le domaine nucléaire, utilisés pour mesurer la teneur en plutonium et/ou en uranium par spectrométrie de masse avec dilution isotopique. Cette méthodologie de mesure peut être appliquée aux solutions d'entrée de combustible irradié de réacteurs Magnox et à eau légère (réacteurs à eau bouillante ou à eau pressurisée), dans les produits finis des usines de retraitement des combustibles usés, dans les matières premières et les produits issus d'un mélange d'oxyde de plutonium et d'oxyde d'uranium (MOX) et dans la fabrication de combustibles d'uranium.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 10-Nov-2024
• ICS: 27.120.30 - Fissile materials and nuclear fuel technology
• Technical Committee: ISO/TC 85/SC 5 - Nuclear installations, processes and technologies
• Drafting Committee: ISO/TC 85/SC 5 - Nuclear installations, processes and technologies
• Current Stage: 6060 - International Standard published
• Start Date: 11-Nov-2024
• Due Date: 28-Mar-2025
• Completion Date: 11-Nov-2024

Standards Content (Sample)

International
Standard
ISO 6863
First edition
Nuclear fuel technology —
2024-11
Preparation of spikes for isotope
dilution mass spectrometry (IDMS)
Technologie du combustible nucléaire — Préparation de traceurs
pour les analyses par spectrométrie de masse avec dilution
isotopique (IDMS)
Reference number
© ISO 2024
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on
the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below
or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
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Email: [e-mail]
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principle . 2
5 Design of spikes . 2
5.1 Optimization of spikes .2
5.2 Uncertainty of spikes .3
6 Reference materials and reagents . 3
6.1 Reference materials .3
6.1.1 Uranium reference materials .3
6.1.2 Plutonium reference materials .3
6.1.3 Secondary standard materials.4
6.2 Other chemical reagents .4
7 Apparatus . 4
8 Preparation of spikes . 5
8.1 Large-sized dried (LSD) spikes .5
8.1.1 Preparation of uranium stock solution .5
8.1.2 Preparation of plutonium stock solution .6
8.1.3 Preparation of mixed stock solution . .7
8.1.4 Taking mixed solution aliquots .8
8.1.5 Drying .9
8.1.6 Stabilization of LSD spike .9
8.2 Uranium spikes .9
8.2.1 Uranium liquid spikes .9
8.2.2 Uranium dried spikes .10
8.3 Plutonium spikes .10
8.3.1 Plutonium liquid spikes .10
8.3.2 Plutonium dried spikes .10
8.4 Uranium – plutonium mixed spikes .10
9 Validation of spikes .11
9.1 General .11
9.2 LSD spikes .11
9.3 Uranium spikes .11
9.4 Plutonium spikes . 12
9.5 Uranium-plutonium mixed spikes. 12
10 Storage of spikes .12
10.1 Storing solution spikes . 12
10.2 Storing dried spikes . 12
10.3 Reconditioning of dried spikes . 12
Bibliography .13

iii
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely
with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a)
patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that
this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 85, Nuclear energy, nuclear technologies, and
radiological protection, Subcommittee SC 5, Nuclear installations, processes and technologies.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.

iv
International Standard ISO 6863:2024(en)
Nuclear fuel technology — Preparation of spikes for isotope
dilution mass spectrometry (IDMS)
1 Scope
This document specifies a method which applies to the preparation and validation of the standard materials
generally called “large size spikes” with an uncertainty suitable for international nuclear safeguards used
for measuring the content of plutonium and/or uranium by isotope dilution mass spectrometry.
This measurement methodology can be applied to input solutions of irradiated Magnox and light
water reactor fuels (boiling water reactor or pressurized water reactor); in final products at spent-fuel
reprocessing plants; in feed and products of mixed oxide of plutonium and uranium (MOX); and in uranium
fuel fabrication.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 3696, Water for analytical laboratory use — Specification and test methods
ISO 8299, Nuclear fuel technology — Determination of the isotopic and elemental uranium and plutonium
concentrations of nuclear materials in nitric acid solutions by thermal-ionization mass spectrometry
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
solution spike
nitric acid solutions with accurately quantified uranium and/or plutonium content and isotopic composition
Note 1 to entry: One of the reference materials for IDMS.
3.2
dried spike
prepared by aliquoting solution spikes (3.1) into glass vessels and then drying
Note 1 to entry: One of the reference materials for IDMS.
3.3
large-sized dried spike
LSD spike
dried spike containing both uranium and plutonium in milligram size, were originally developed to analyse
high concentrated input solution
Note 1 to entry: One of the reference materials for IDMS.

Note 2 to entry: The LSD spikes can simplify the sample preparation process with only one spiking step to the sample,
which also contains uranium and plutonium, and reduce measurement uncertainty by less dilution factor than smaller
sized spikes.
4 Principle
Element content measurement using thermal ionization mass spectrometry (TIMS) is made on a sample
and mixture of the sample and a spike, consisting of an enriched isotope of the element to be analysed and
determine element content by calculating the difference of isotopic composition before and after spike
mixture. This method of measuring an element’s content is called isotope dilution mass spectrometry (IDMS).
The isotopic compositions of the sample and spike is required to be significantly different. Therefore, it
is desirable that spikes are composed of isotopes that are not present, or only minimally present, in the
unspiked sample. It is necessary that the isotopic composition and the content of spikes be known or
measured accurately and has small uncertainties because it reflects to the uncertainty of the final results,
element content.
Chemically-pure compounds of separated plutonium or uranium isotopes are dissolved to prepare stock
solutions of spikes, in general terms, in 3 mol/l to 7 mol/l nitric acid to obtain an optimized content based
on its design to obtain reliable results. Aliquots of the plutonium and uranium spike stock solutions can be
mixed to prepare mixed spikes. Aliquoted spikes are used for IDMS in solution state or after dried.
5 Design of spikes
As the uncertainty to be considered in determining the reliability of nuclear fuel material analysis techniques
[1]
for safeguards, International Target value (ITV) is decided for IDMS. It is desirable that spikes are used for
IDMS after being optimized for the sample to be analysed. Different target values are set depending on the
environment to be measured and spikes used. Spikes shall be designed so that measurement by IDMS can
achieve the appropriate ITVs.
There are two types of spikes: solution spikes and dry spikes. Basically, either spike is fine. In general, choose
which spike to prepare according to user needs.
5.1 Optimization of spikes
In IDMS, when the isotopic composition in the unknown sample and in the spike are significantly different,
the measurement accuracy become higher. On the other hand, the isotopic composition of available certified
reference materials for preparing spikes are limited. Therefore, it is important to design the plutonium and/
or uranium composition of spikes by evaluating, in advance, the isotopic composition and the amounts of
elements of spikes that can be obtained sufficient accuracy. The following sentences describe an example of
calculations for optimizing spikes.
The following Formula (1) can be obtained by partially differentiating the theoretical equation of IDMS with
[2]
sample to spike mass ratio, p .
2 22 2 2
1+ppK1+γ R
σγ()p 1 ()11+pK()+ R () ()
 
22 S 22
T
=⋅ ⋅+ε R ⋅ε R
S T
 
2 22 2 2
p
 
p
()RR− ()1+γKR ()RR− ()1+γKR
ST S ST T
[]pR ()11+γγKR ++RK()Rp[]()11+γγKR ++()KR
TS ST ST 2
+⋅ ⋅ε
2 22 2 2
p RR− 11+γγKR + KR
() () ()
ST TS
γ RR−
()
TS
+ ⋅σ (1)
K
2 2
()11+γγKR ()+ KR
TS
where
σ ()p
is the standard deviation of p;
R is the isotopic ratio of sample;
S
R is the isotopic ratio of spike;
T
γ is absolute mass ratio of second to first major isotope;
K is mass discrimination factor;
ε
is standard deviation of for isotopic ratio measurement.
By replace p to sample to spike number of atoms ratio, q and putting γ equal to unity. If K equal to 1,
Formula (1) is described as following Formula (2):
2 22 2 2
σ ()q ()11+qR()+ ()1+q ()11+R
  1
T 22 S 22
=⋅ ⋅+ε R ⋅ε R
S T
 
2 22 2 2
q
  q
()RR− ()1+R ()RR− ()1+R
ST S ST T
qR 11+RR++Rq 11+RR++
1 []() () []() ()
TS ST ST 2
+⋅ ⋅ε (2)
2 2 2 2
q
()RR− ()1+R ()11+R
ST T S
2 2
Where, the value “[σ(q)/q] /ε ” means the size of the error depending on the mixing ratio of spike and sample,
and from this, the amount of spike to sample and/or isotopic ratio is calculated and able to be optimized.
5.2 Uncertainty of spikes
The uncertainty of spikes can be combined from the Certified Reference Material (CRM), analytical balance,
and also from the equipment and tracer used for instrumental analysis for the purpose of characterization
or standardization. These individual uncertainties should be combined and should be given as expanded
uncertainty when the coverage factor k = 2. The uncertainty can be calculated in accordance to the
[3]
ISO/IEC Guide 98-3 .
6 Reference materials and reagents
The reagents listed below are prepared from analytical grade reagents unless it is specified otherwise.
6.1 Reference materials
Examples of reference material for preparing spike are shown below.
6.1.1 Uranium reference materials
a) natural uranium metal CRM of purity with an elemental content certified to ±0,05 % (k = 2) or better,
such as NBL-CRM-112A (e.g. NBS-960D), EC-101, CETAMA-MU2.
b) other uranium metal, powder or pellet CRM of purity with an elemental content certified to ±0,05 %
(k = 2) or better, such as NBL-CRM-116A (HEU metal), CRM-125A (UO pellet) and CRM-129 (U O
2 3 8
powder). CRM solution can also be available as a source. Abundance of the major isotope of uranium
shall be greater than or equal to 80 %.
6.1.2 Plutonium reference materials
Plutonium metal CRM with an elemental content certified to ±0,05 % (k = 2) or better, such as NBL-CRM-126
or 126A, EC-201 or CETAMA-MP2. Abundance of the major isotope of plutonium shall be greater than or
equal to 80 %.
6.1.3 Secondary standard materials
For both plutonium and uranium, secondary standard materials in solution or in solid and traceable to CRMs
or verified by means of a laboratory intercomparison can also be used. The values should be certified to
±0,05 % (k = 2) or better.
6.2 Other chemical reagents
The reagents listed below are in analytical grade and other reagents could also be used if results are
confirmed to be equivalent.
6.2.1 Nitric acid solutions, c(HNO ) = 1 mol/l, 3 mol/l, 4 mol/l, 7 mol/l to 8 mol/l and other.
6.2.2 Hydrochloric acid solutions, c(HCl) = 0,1 mol/l, 3 mol/l, 4 mol/l, 12 mol/l and other are applicable
for dissolution and etching for uranium metal and/or plutonium metal.
6.2.3 Hydrofluoric acid, c(HF) = 27 mol/l. HF can mix with nitric acid solution before use.
WARNING — Hydrofluoric acid is strongly corrosive. Safety precautions are necessary.
6.2.4 Potassium carbonate solution, c(K CO ) = 1,45 mol/l.
2 3
6.2.5 Water, complying with at least grade 1 in accordance with ISO 3696.
6.2.6 Ethanol.
6.2.7 Acetone.
7 Apparatus
7.1 Apparatus for mass spectrometry, shall be in accordance with ISO 8299.
7.2 Glove boxes, for handling uranium and plutonium safely.
7.3 Analytical balance, capable of accurately weighing items to the nearest 0,1 mg in a sealed cell or
glove box. If the mass is 100 g or more, an accuracy of 1 mg is sufficient. Evaluate uncertainty based on
[3]
ISO/IEC Guide 98-3 before use.
7.4 Ionizer, to remove static electricity of vessel, is recommended to be installed in analytical balance
room, a shielded cell or a glove box.
7.5 Pipet, volume adjustable with disposable pipette tips, installed in a shielded cell or a glove box.
7.6 Hot plate, capable of heating to at least 150 °C in a glove box to concentrate solutions or dissolving the
standard reference materials. Parallel use with vapour condensing system is recommended. Heating block
to have enough reflux in the vial is also recommended.
[4]
7.7 Dry-cell battery, capacity of at least 6 A·h for plutonium metal electro polishing .
[4]
7.8 Platinum wire and crucible, for plutonium metal electro polishing .
7.9 Stock bottle, is used as container for storing solution during aliquot.

7.10 Common laboratory ware, consisting of disposable plastic containers, flasks, watch glass, beakers,
vials, and others.
NOTE It is recommended to clean glassware before use.
8 Preparation of spikes
There are several types of spikes applicable to perform IDMS. These are the major spikes used for analysing
plutonium and/or uranium in the samples.
8.1 Large-sized dried (LSD) spikes
The general method of preparing LSD spikes is as follows:
a) Uranium (6.1.1) and plutonium (6.1.2) CRMs are dissolved to prepare respective stock solutions.
NOTE Secondary reference materials (6.1.3) which are traceable to CRM can also be used as starting material
[5]
of LSD spikes. Guidance for the preparation of secondary reference materials can be found in ASTM C1128 .
b) Mixing stock solutions to be desired uranium content and plutonium content and preparing the mixed
stock solution.
NOTE Uranium to plutonium ratio can be optimized according to 5.1.
NOTE As an alternative to methods a) to b), mixed stock solutions can also be prepared by adding one
reference to the other stock solution and dissolving.
c) Taking aliquots from mixed stock solution to vials and drying them.
The details of each step are explai
...

Norme
internationale
ISO 6863
Première édition
Technologie du combustible
2024-11
nucléaire — Préparation de
traceurs pour les analyses par
spectrométrie de masse avec
dilution isotopique (IDMS)
Nuclear fuel technology — Preparation of spikes for isotope
dilution mass spectrometry (IDMS)
Numéro de référence
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: [phone]
E-mail: [e-mail]
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principe. 2
5 Conception des traceurs . 2
5.1 Optimisation des traceurs .2
5.2 Incertitude liée aux traceurs .3
6 Matériaux de référence et réactifs . . 3
6.1 Matériaux de référence .3
6.1.1 Matériaux de référence d’uranium .4
6.1.2 Matériaux de référence de plutonium .4
6.1.3 Matériaux étalons secondaires .4
6.2 Autres réactifs chimiques .4
7 Appareillage . 4
8 Préparation des traceurs . 5
8.1 Traceurs de grande taille séché (LSD) .5
8.1.1 Préparation d'une solution mère d'uranium .5
8.1.2 Préparation d'une solution mère de plutonium .6
8.1.3 Préparation d'une solution mère mixte .8
8.1.4 Prélèvement d'aliquotes de solution mixte .9
8.1.5 Séchage .9
8.1.6 Stabilisation d'un traceur de type LSD .10
8.2 Traceurs d'uranium .10
8.2.1 Traceurs d'uranium liquides .10
8.2.2 Traceurs d'uranium secs .10
8.3 Traceurs de plutonium.10
8.3.1 Traceurs de plutonium liquides .10
8.3.2 Traceurs de plutonium secs .11
8.4 Traceurs mixtes uranium – plutonium .11
9 Validation des traceurs .12
9.1 Généralités . 12
9.2 Traceurs de type LSD . 12
9.3 Traceurs d'uranium . 12
9.4 Traceurs de plutonium. 12
9.5 Traceurs mixtes uranium-plutonium . 13
10 Stockage des traceurs .13
10.1 Stockage des traceurs en solution . 13
10.2 Stockage des traceurs secs . 13
10.3 Reconditionnement des traceurs secs . 13
Bibliographie . 14

iii
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L'ISO attire l'attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l'utilisation
d'un ou de plusieurs brevets. L'ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l'applicabilité
de tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l'ISO
n'avait pas reçu notification qu'un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application.
Toutefois, il y a lieu d'avertir les responsables de la mise en application du présent document que des
informations plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à
l'adresse www.iso.org/brevets. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou
partie de tels droits de brevet.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l'Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 85, Énergie nucléaire, technologies
nucléaires, et radioprotection, sous-comité SC 5, Installations nucléaires, procédés et technologies.
Il convient que l'utilisateur adresse tout retour d'information ou toute question concernant le présent
document à l'organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.

iv
Norme internationale ISO 6863:2024(fr)
Technologie du combustible nucléaire — Préparation de
traceurs pour les analyses par spectrométrie de masse avec
dilution isotopique (IDMS)
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie une méthode qui s'applique à la préparation et à la validation des matériaux
étalons généralement appelés «traceurs de grande taille» avec une incertitude correspondant aux garanties
internationales de sécurité dans le domaine nucléaire, utilisés pour mesurer la teneur en plutonium et/ou
en uranium par spectrométrie de masse avec dilution isotopique. Cette méthodologie de mesure peut être
appliquée aux solutions d'entrée de combustible irradié de réacteurs Magnox et à eau légère (réacteurs à eau
bouillante ou à eau pressurisée), dans les produits finis des usines de retraitement des combustibles usés,
dans les matières premières et les produits issus d'un mélange d'oxyde de plutonium et d'oxyde d'uranium
(MOX) et dans la fabrication de combustibles d'uranium.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 3696, Eau pour laboratoire à usage analytique — Spécification et méthodes d'essai
ISO 8299, Technologie du combustible nucléaire — Détermination de la teneur isotopique et de la concentration
d'uranium et du plutonium dans les matières nucléaires en solution d'acide nitrique par spectrométrie de masse
à thermo-ionisation
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
traceur en solution
solutions d'acide nitrique dont la teneur en uranium et/ou en plutonium et la composition isotopique ont été
quantifiées avec précision
Note 1 à l'article: Un des matériaux de référence pour l'IDMS.
3.2
traceur sec
préparé par aliquotage de traceurs en solution (3.1) dans des récipients en verre avant séchage
Note 1 à l'article: Un des matériaux de référence pour l'IDMS.

3.3
traceur de grande taille séché (LSD)
traceur de type LSD (Large-Sized Dried)
les traceurs secs contenant à la fois de l'uranium et du plutonium en milligrammes ont été conçus à l'origine
pour analyser des solutions d'entrée très concentrées
Note 1 à l'article: Un des matériaux de référence pour l'IDMS.
Note 2 à l'article: Les traceurs de type LSD peuvent simplifier le processus de préparation des échantillons avec une
seule étape de dopage dans l'échantillon, qui contient également de l'uranium et du plutonium, et réduire l'incertitude
des mesures avec un facteur de dilution inférieur par rapport aux traceurs de plus petite taille.
4 Principe
Le mesurage de la teneur en éléments à l'aide d'une spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS) est
effectué à partir d'un échantillon et d'un mélange d'échantillon et de traceur, constituant un isotope enrichi
de l'élément à analyser. Il détermine la teneur en éléments en calculant la différence dans la composition
isotopique avant et après mélange avec le traceur. Cette méthode de mesurage de la teneur en éléments est
appelée dilution isotopique par spectrométrie de masse (IDMS).
Les compositions isotopiques de l'échantillon et du traceur doivent être significativement différentes. Par
conséquent, il est souhaitable que les traceurs soient composés d'isotopes qui ne sont pas présents ou
présents en quantité minimale dans l'échantillon non dopé. Il est nécessaire que la composition isotopique
et la teneur en traceurs soient connues ou mesurées avec précision et qu'elles présentent des incertitudes
réduites en raison de leur impact sur l'incertitude des résultats finaux, la teneur en éléments.
Des composés chimiquement purs d'isotopes de plutonium ou d'uranium distincts sont dissous pour
préparer des solutions mères de traceurs, en général, dans 3 mol/l à 7 mol/l d'acide nitrique pour obtenir
une teneur optimisée en fonction de leur conception afin d'obtenir des résultats fiables. Des aliquotes de
solutions mères de traceurs à base de plutonium et d'uranium peuvent être mélangées afin de préparer des
traceurs mixtes. Les traceurs obtenus avec ces aliquotes sont utilisés en l'état ou après séchage pour l'IDMS.
5 Conception des traceurs
Compte tenu de l'incertitude à prendre en compte dans la détermination de la fiabilité des techniques
d'analyse de matériaux de combustible nucléaire pour des raisons de sécurité, la méthode par valeur cible
[1]
internationale ou ITV (International Target Value) est adoptée dans le cadre de l'IDMS. Il est souhaitable
que les traceurs soient utilisés pour l'IDMS après avoir été optimisés pour l'échantillon à analyser. Différentes
valeurs cibles sont définies en fonction de l'environnement à mesurer et des traceurs utilisés. Les traceurs
doivent être conçus de sorte que le mesurage par IDMS puisse atteindre les valeurs cibles internationales
(ITV) appropriées.
Il existe deux types de traceurs: les traceurs en solution et les traceurs secs. En principe, ces deux types de
traceurs conviennent. En général, choisir le traceur à préparer en fonction des besoins de l'utilisateur.
5.1 Optimisation des traceurs
En IDMS, lorsque la composition isotopique dans l'échantillon inconnu et dans le traceur est significativement
différente, on obtient une plus grande précision des mesures. Par ailleurs, la composition isotopique de
matériaux de référence certifiés disponibles pour la préparation des traceurs est limitée. Par conséquent,
il est important de concevoir la composition de plutonium et/ou d'uranium des traceurs en évaluant à
l'avance la composition isotopique et la quantité d'éléments des traceurs pour pouvoir obtenir une précision
suffisante. Les phrases ci-après décrivent des exemples de calcul permettant d'optimiser les traceurs.

La Formule (1) suivante peut être obtenue en différenciant partiellement l'équation théorique de l'IDMS avec
[2]
un rapport de masse échantillon-traceur, p :
2 22 2
σγ()p ()11+pK()+ R ()1+ppK()1+γ R
  1
T 22 S 22
=⋅ ⋅+ε R ⋅ε R
S T
 
2 22 2 2
p
 
p RR− 1+γKR RR− 1+γKR
() () () ()
ST S ST T
2 2
pR 11+γγKR ++RKRp 11+γγKR ++ KKR
1 []() () []() ()
TS ST S T 2
+⋅ ⋅ε
2 2 2 2
p
()RR− ()11+γγKR ()+ KR
ST TS
2 2
γ ()RR−
TS 2
+ ⋅σ (1)
K
2 2
11+γγKR + KR
() ()
TS
où
σ ()p est l'écart-type de p;
R est le rapport isotopique de l'échantillon;
S
R est le rapport isotopique du traceur;
T
γ est le rapport de masse absolue entre le second et le premier isotope principal;
K est le facteur de discrimination de masse;
ε
est l'écart-type des mesures du rapport isotopique.
Remplacer p par le rapport entre le nombre d'atomes de l'échantillon et du traceur, q, avec γ égal à l'unité. Si
K est égal à 1, la Formule (1) est décrite comme la Formule (2) suivante:
2 22 2 2
σ ()q ()11+qR()+ ()1+q ()11+R
  1
T 22 S 22
=⋅ ⋅+ε R ⋅ε R
S T
 
2 22 2 2
q
  q
()RR− ()1+R ()RR− ()1+R
ST S ST T
qR 11+RR++Rq 11+RR++
1 []() () []() ()
TS ST ST 2
+⋅ ⋅ε (2)
2 2 2 2
q
()RRR− ()11+RR()+
ST TS
2 2
Où, la valeur «[σ(q)/q] /ε » indique la taille de l'erreur en fonction du rapport de mélange traceur-échantillon
qui permet de calculer le rapport traceur-échantillon et/ou le rapport isotopique pouvant être optimisé.
5.2 Incertitude liée aux traceurs
L'incertitude liée aux traceurs peut être combinée à partir du matériau de référence certifié (MRC), de la
balance analytique, ainsi que de l'équipement et de l'outil de traçage utilisés pour l'analyse des instruments
à des fins de caractérisation ou d'étalonnage. Il convient de combiner ces incertitudes individuelles et de
les indiquer sous forme d'incertitude élargie lorsque le facteur de couverture k = 2. L'incertitude peut être
[3]
calculée conformément au Guide ISO/IEC 98-3 .
6 Matériaux de référence et réactifs
Sauf indication contraire, les réactifs énumérés ci-dessous sont préparés à partir de réactifs de qualité
analytique.
6.1 Matériaux de référence
Des exemples de matériaux de référence pour la préparation des traceurs sont indiqués ci-dessous.

6.1.1 Matériaux de référence d’uranium
a) Métal d'uranium naturel, MRC de pureté dont la teneur élémentaire est certifiée à ±0,05 % (k = 2) ou
mieux, NBL-CRM-112A (par exemple NBS-960D), EC-101, CETAMA-MU2.
b) Autre métal d'uranium, poudre ou pastille d'uranium, MRC de pureté dont la teneur élémentaire est
certifiée à ±0,05 % (k = 2) ou mieux, par exemple NBL-CRM-116A (métal UHE), CRM-125A (pastille UO )
et CRM-129 (poudre U O ). La solution MRC peut être également disponible en tant que source.
3 8
L'abondance de l’isotope principal d’uranium doit être supérieure ou égale à 80 %.
6.1.2 Matériaux de référence de plutonium
Métal de plutonium, MRC dont la teneur élémentaire est certifiée à ±0,05 % (k = 2) ou mieux, par exemple
NBL-CRM-126 ou 126A, EC-201 ou CETAMA-MP2. L'abondance de l’isotope principal de plutonium doit être
supérieure ou égale à 80 %.
6.1.3 Matériaux étalons secondaires
Pour le plutonium et l'uranium, des matériaux étalons secondaires en solution ou à l'état solide, traçables à
l'aide des matériaux de référence certifiés (MRC) ou vérifiés au moyen d'une intercomparaison en laboratoire
peuvent également être utilisés. Il convient que les valeurs soient certifiées à ±0,05 % (k = 2) ou mieux.
6.2 Autres réactifs chimiques
Les réactifs répertoriés ci-dessous sont de qualité analytique et d'autres réactifs pourraient également être
utilisés si leurs résultats sont confirmés comme équivalents.
6.2.1 Solutions d'acide nitrique, c(HNO ) = 1 mol/l, 3 mol/l, 4 mol/l, 7 mol/l, 8 mol/l et autres.
6.2.2 Solutions d'acide chlorhydrique, c(HCl) = 0,1 mol/l, 3 mol/l, 4 mol/l, 12 mol/l et autres sont
applicables pour la dissolution et l'attaque chimique du métal d'uranium et/ou de plutonium.
6.2.3 Solution d'acide fluorhydrique, c(HF) = 27 mol/l. Le HF peut être mélangé avec la solution d'acide
nitrique avant utilisation.
AVERTISSEMENT — L'acide fluorhydrique est très corrosif. Des mesures de sécurité sont nécessaires.
6.2.4 Solution de carbonate de potassium, c(K CO ) = 1,45 mol/l.
2 3
6.2.5 Eau, de qualité 1 au minimum selon l'ISO 3696.
6.2.6 Éthanol.
6.2.7 Acétone.
7 Appareillage
7.1 Appareillage de spectrométrie de masse, doit être conforme à l'ISO 8299.
7.2 Boîtes à gants, pour manipuler l'uranium et le plutonium en toute sécurité.
7.3 Balance analytique, capable de peser avec précision les éléments à 0,1 mg près dans une cellule
blindée ou une boîte à gants. Si la masse est supérieure ou égale à 100 g, une précision de 1 mg est suffisante.
[3]
Évaluer l'incertitude en fonction de le Guide ISO/IEC 98-3 avant utilisation.

7.4 Ioniseur, installation recommandée pour supprimer l'électricité statique du récipient, dans une
chambre de balance analytique, une chaîne blindée ou une boîte à gants.
7.5 Pipette, à volume ajustable avec des embouts de pipette jetables, installée dans une chaîne blindée ou
une boîte à gants.
7.6 Plaque chauffante, capable de chauffer à une température d'au moins 150 °C dans une boîte à gants
pour concentrer les solutions ou dissoudre les matériaux de référence étalons. Il est recommandé de l'utiliser
en parallèle avec un système de condensation de la vapeur. Un bloc chauffant est également recommandé
pour obtenir un reflux suffisant dans la fiole.
[4]
7.7 Pile sèche, d'une capacité de 6 A h minimum pour l'électropolissage du métal de plutonium .
[4]
7.8 Fil de platine et creuset en platine, pour l'électropolissage du métal de plutonium .
7.9 Flacon, utilisé comme conteneur pour le stockage de la solution lors de l'aliquotage.
7.10 Matériel de laboratoire courant, constitué de récipients en plastique jetables, de flacons, de verres
de montre, de béchers, de fioles, etc.
NOTE Il est recommandé de nettoyer les éléments en verre avant utilisation.
8 Préparation des traceurs
Il existe plusieurs types de traceurs applicables pour réaliser une IDMS. Voici les principaux traceurs utilisés
pour l'analyse du plutonium et/ou de l'uranium dans les échantillons.
8.1 Traceurs de grande taille séché (LSD)
La méthode générale de préparation des traceurs de type LSD est la suivante:
a) les MRC d'uranium (6.1.1) et de plutonium (6.1.2) sont dissous pour préparer les solutions mères
respectives;
NOTE Des matériaux étalons secondaires (6.1.3) traçables aux MRC peuvent également être utilisés comme
matière première pour les traceurs de type LSD. Des recommandations pour la préparation des matériaux de
[5]
référence secondaires se trouvent dans l'ASTM C1128 .
b) mélanger les solutions mères à la teneur en uranium et à la teneur en plutonium souhaitées et préparer
la solution mère mixte;
NOTE Le rapport uranium-plutonium peut être optimisé selon 5.1.
NOTE En guise d'alternative aux méthodes a) à b), des solutions mères mixtes peuvent également être
préparées en ajoutant une référence à l'autre solution mère et en procédant à la dissolution.
c) prélever des aliquotes à partir d'une solution mère mixte dans des flacons et les sécher.
Les détails de chaque étape sont décrits dans les alinéas suivants.
8.1.1 Préparation d'une solution mère d'uranium
Ouvrir une unité d'un matériau de référence certifié d'uranium tel que ceux mentionnés en 6.1.1, et l'utiliser
conformément au certificat. À défaut d'indication dans le certificat ou si les réactifs spécifiés dans le certificat
ne sont pas disponibles, suivre les étapes ci-dessous.

Des matériaux de référence secondaires peuvent être également utilisés pour préparer la solution mère, tels
que ceux mentionnés en 6.1.3. Les utiliser conformément au certificat.
a) Rincer le métal d'uranium avec de l'eau (6.2.5) et le soumettre à une attaque chimique dans une solution
d'acide
...