Development of laser analysis for nuclear fuel management

レーザーによる核燃料物質の分析開発

若井田 育夫  ; 赤岡 克昭 ; 宮部 昌文   ; Khumaeni, A.; 大場 弘則  ; 伊藤 主税   

Wakaida, Ikuo; Akaoka, Katsuaki; Miyabe, Masabumi; Khumaeni, A.; Oba, Hironori; Ito, Chikara

次世代核燃料サイクルでは、核燃料資源の有効利用を図ると共に長寿命廃棄物の削減やの観点から、TRUを含有した燃料を加速器駆動未臨界炉(ADS)で核変換するADS核変換サイクル、高速炉(FBR)で核変換するFBRサイクルの導入が考えられている。このような燃料の遠隔分析法として、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、U中のPu濃度分析偏差が5%以下、検出下限が数千ppmの計測を5分で定量分析できることを確認した。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、U中のPuについて、Pu, Puの識別観測に成功し、測定偏差1%以下、検出下限数十ppmの定量分析を5分以内で実施できることも示された。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も確認した。溶液分析では、液体薄膜をLIBSターゲットとすることでICP発光分光法と同等な性能を示し、ppbレベルの高感度が実現可能なことが示された。過酷環境下でのLIBS分析については、耐放射線性光ファイバーを活用したファイバーLIBSの性能を評価し、過酷環境で適用できる可能性が確認された。

In the new concept of next generation nuclear fuel cycle for long lived radioactive waste disposal by use of Accelerator Driven Subcritical reactor (ADS Cycle) and by a fast breeder reactor (FBR Cycle), utilization of low-decontaminated fuel with TRU will be promoted. Simultaneous analysis of element and isotope by the combination of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Ablation Resonance Absorption Spectroscopy was demonstrated by MOX fuel. 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 separately, 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.