Absorption spectroscopy of uranium plasma for remote isotope analysis of next-generation nuclear fuel

次世代燃料の遠隔同位体分析のためのウランプラズマの吸収分光

宮部 昌文   ; 大場 正規 ; 飯村 秀紀  ; 赤岡 克昭 ; 丸山 庸一郎; 大場 弘則  ; 反保 元伸; 若井田 育夫  

Miyabe, Masabumi; Oba, Masaki; Iimura, Hideki; Akaoka, Katsuaki; Maruyama, Yoichiro; Oba, Hironori; Tampo, Motonobu; Wakaida, Ikuo

次世代燃料の非破壊・遠隔分析技術開発におけるウラン同位体の分析条件最適化を目的として、フルエンス0.5J/cmのNd:YAGレーザーの2倍高調波で生成したウランプラズマの運動を共鳴吸収分光法により調べた。真空中の中性原子とイオンのフロー速度はそれぞれ2.7km/s, 4.0km/sと求められた。Heガス中の密度分布の変化の様子から、イオンの密度は約3sec、原子の密度は約5secで最大となること、最密部分の現れる高さは表面から2.5-3.0mmであることがわかった。アブレーション後3secまでの時間帯は、UとUの吸収量にドップラー分裂に伴う差が生じることから、精密な同位体分析に適さないことがわかった。得られた最適条件を用いて同位体比分析の検量線を求め、直線性や検出下限値,分析精度を評価した。これにより本方法がウランの遠隔同位体分析に適用できることを確認した。

A uranium oxide sample was ablated by 2nd harmonic radiation from a Nd:YAG laser at a fluence of 0.5 J/cm. The temporal evolution of the ablation plume was investigated in vacuum and helium environments. In vacuum, the flow velocity perpendicular to the sample surface was determined to be 2.7 km/s for neutral atoms and 4.0 km/s for singly charged atoms. From the evolution of the plume in helium we found that an observation time of 3-5 s and an observation height of about 2.5 mm are most suited for obtaining higher sensitivity. Observation times less than 3 s were unsuitable for precise isotope analysis since the spectral modifications arising from the Doppler splitting effect are different between the two uranium isotopes. Using the established conditions, we evaluated the calibration curve linearity, limit of detection, and precision for three samples having different abundances of U.