마이크로파를 이용한 산화가돌리늄 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4828(2023) 이 기사 인용

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우리는 순수 가돌리늄 산화물(Gd2O3)의 분석과 마이크로파 강화 섬유 결합 마이크로 레이저 유도 파괴 분광법(MWE-FC-MLIBS)을 사용하여 대리 핵 잔해에 혼합되었을 때의 검출에 대해 보고합니다. 대상 응용 프로그램은 후쿠시마 다이이치 원자력 발전소 내부의 우라늄(U)이 포함된 핵 잔해의 원격 분석입니다. 본 연구에 사용된 대리 핵 잔해에는 가돌리늄(Gd), 세륨(Ce), 지르코늄(Zr) 및 철(Fe)이 포함되어 있습니다. Ce는 U의 대체물이고, Gd2O3는 일부 연료봉에 포함되어 있기 때문에 우수한 위험지수이다. Gd 감지는 검색 프로세스에 앞서 잔해를 평가하는 데 필수적입니다. 대리 잔해는 대기압 조건에서 849 ps 1064 nm 마이크로 레이저로 제거되었으며 나선형 안테나는 1.0 ms 동안 2.45 GHz 1.0 kW 마이크로파를 레이저 제거로 전파한 다음 고속 카메라와 고해상도 분광계로 특성화되었습니다. . 결과는 마이크로파 유도 플라즈마 팽창이 Gd I, Zr I, Fe I, Ce I 및 Ce II의 방출 신호를 향상시키는 것으로 나타났습니다. 검출 한계 교정 그래프에서는 Gd 방출의 자체 흡수가 분명하지 않았습니다. 또한, 마이크로파 조사는 Gd 및 Ce 방출의 표준 편차를 감소시키고 Gd 검출 한계를 60% 낮췄습니다.

후쿠시마 다이이치 원자력 발전소의 핵연료 잔해 해체 과정에서 방사성 물질의 저장 및 처리가 주요 문제가 되었습니다1. 콘크리트 기둥, 강철 장벽, 연료봉 및 용융 핵연료의 복잡한 혼합물을 분류하는 것은 70 Gy/h2를 초과하는 높은 방사능 환경으로 인해 방해를 받습니다. 고해상도 카메라로 원자로 내부를 탐색하는 것은 가능하지만, 잔해 하나하나의 핵 오염도를 파악하기 위해서는 정량적 분석이 필요하다. X선 형광(XRF) 측정도 코어 내 감지를 위해 연구되었습니다3. 그러나 2시간 동안 800 Gy/h를 견딜 수 있는 섬유 결합(FC) 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)의 방사선 내구성은 현장 작동4,5,6,7을 보장합니다.

핵연료 잔해의 구성 성분은 핵연료에서 나온 산화우라늄(UO2), 피복재에서 나온 지르코늄(Zr), 주변 구조재에서 나온 스테인리스강(Fe, Ni, Cr), 산화가돌리늄(Gd2O3) 등으로 추정된다. 일부 연료봉1,2,8에 통합되었습니다. 가돌리늄(Gd)은 155Gd 및 157Gd 동위원소8,9의 높은 중성자 흡수 단면적의 도움으로 열 중성자의 가연성 흡수체 역할을 하기 때문에 Gd2O3는 연료 반응성을 제어하는 ​​데 사용됩니다. 그러므로 Gd는 각 잔해물에 대한 탁월한 위험 지수입니다. 따라서 잔해 속에 있는 하나님의 상대적 풍부함을 측정하는 것이 필수적입니다. 그러나 원자로 용기 내부의 높은 방사능으로 인해 핵연료 잔해는 현재 접근이 불가능하며 아직 확인되지 않았습니다. 따라서 잔해물을 원격으로 분석하고 높은 방사선장에서 위의 요소를 감지하는 방법이 절실히 필요합니다.

실제 연료 잔해물은 샘플로 사용할 수 없기 때문에 Gd, Zr, Fe 및 세륨(Ce)이 포함된 혼합 산화물 물질에서 합성된 대용 핵 잔해를 사용하여 FC-LIBS 측정을 수행했습니다. Ce는 전자 구조의 유사성 때문에 우라늄(U)을 대체합니다9,10. 이러한 복잡한 물질에서 LIBS를 사용하여 Gd를 검출하는 것은 서로 강하게 간섭하는 희토류 원소의 조밀한 스펙트럼 선이 존재하기 때문에 어렵습니다.

LIBS는 시료 준비를 최소화하거나 전혀 하지 않고도 복잡한 혼합물의 원소 분석을 위해 레이저 유도 플라즈마 광학 진단을 사용합니다11,12. 이 기술은 U7,13,14,15가 포함된 다양한 샘플을 성공적으로 감지하고 분석하는 데 사용되었습니다. 자연 발생 형태의 U는 원자로에서 사용하기 위한 핵분열성 물질의 다양한 원자 분획으로 농축될 수 있습니다. U 플라즈마16에 대한 LIBS 적용에 대한 최근 검토에서는 핵물질 동위원소 조성의 장거리 신속한 검출을 포함하여 핵물질 식별에 LIBS를 사용하는 이점이 나열되어 있습니다. 그러나 방사선으로 인한 광 투과 감쇠는 LIBS의 적용을 제한합니다. 따라서 마이크로 레이저가 개발되었습니다9.