Application of Laser based spectroscopy for elemental and isotope analysis in nuclear engineering

原子力工学におけるレーザー分光の元素・同位体分析への応用

若井田 育夫  ; 赤岡 克昭 ; 宮部 昌文   ; Khumaeni, A.; 大場 弘則  ; 佐伯 盛久; 伊藤 主税   ; 音部 治幹  ; 加藤 政明

Wakaida, Ikuo; Akaoka, Katsuaki; Miyabe, Masabumi; Khumaeni, A.; Oba, Hironori; Saeki, Morihisa; Ito, Chikara; Otobe, Haruyoshi; Kato, Masaaki

次世代核燃料サイクルでは、長寿命廃棄物の削減や核燃料資源の有効利用の観点から、TRU含有低除染燃料の活用が計画されている。そこで、非接触・非分離・直接分析法としてレーザー利用遠隔分析法の開発を実施してきた。その結果MOX燃料を用いたレーザーブレークダウン分光(LIBS)による元素組成分析では、Pu濃度30%における偏差が5%以下、検出下限が数千ppmの計測を5分で実施できることを実証した。また、アブレーション共鳴吸収分光による同位体分析では、Pu濃度30%でのPu, Puの分別観測に成功し、測定偏差1%以下、検出下限数十ppmの計測を5分で実施できることも実証した。この他、高感度, 高分解能分光を実現するため、簡単なアンテナ結合によるマイクロ波支援LIBSにより、数十倍の発光信号増大効果が確認された。溶液分析では、液体薄膜をLIBSターゲットとすることで、ppbレベルの高感度が実現可能であることを示した。耐放射線性光ファイバーを活用したLIBSについては、水中で着目元素スペクトルを観測することに成功し、溶融デブリの観測への適用の可能性が示唆された。

In the next generation nuclear fuel cycle, low-decontaminated fuel with TRU will be strongly required, and convenience, quick analytical techniques will be necessary. Simultaneous analysis of element and isotope by the combination of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Ablation Resonance Absorption Spectroscopy was demonstrated. For elemental analysis, detection lower limit of 1000 ppm of Pu in U oxide and relative error under 5% have been obtained within 5 min. For isotope analysis, Pu and Pu have been observed completely separated, and detection lower limit of several 10 ppm and error under 1% have been accomplished. A simple antenna coupled microwave assisted LIBS was performed and the enhancement of emission intensity of several 10 times was demonstrated. For liquid sample, ultra-thin laminate flow as the laser focused target was accomplished high sensitivity of ppb. For in-situ monitoring, Optical Fiber LIBS Probe by radiation resistant optical fiber is under construction.