Optimierte LIBS-Technik verbessert Analyse von Kernreaktor-Materialien

Ultraschneller Laser ermöglicht bessere Messungen von Wasserstoffisotopen

03.02.2021 - USA

In einer neuen Studie berichten Forscher über einen optimierten Ansatz zur Verwendung der Laser-induzierten Zerfallspektroskopie (LIBS) für die Analyse von Wasserstoffisotopen. Ihre neuen Erkenntnisse könnten eine verbesserte schnelle Identifizierung und Messung von Wasserstoff und anderen leichten Isotopen ermöglichen, die in Materialien für Kernreaktoren und anderen Anwendungen wichtig sind.

LIBS ist vielversprechend für die Messung von Wasserstoffisotopen, da es keine Probenvorbereitung erfordert und Daten mit einem relativ einfachen Versuchsaufbau schnell erfasst werden können. Die Quantifizierung der Wasserstoffkonzentration war jedoch eine Herausforderung bei dieser Analysetechnik.

In der Fachzeitschrift Optics Express der Optical Society (OSA) zeigen Forscher des Pacific Northwest National Laboratory, dass die Kombination eines ultraschnellen Lasers - mit ultrakurzen Pulsen - mit bestimmten Umgebungsbedingungen die LIBS-Messungen von Wasserstoffisotopen in industriell wichtigen Legierungen verbessern kann. Diese optimierte Technik könnte eine schnellere Analyse von Materialien ermöglichen, die in Kernreaktorkernen bestrahlt wurden.

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"Eine verbesserte chemische Bildgebung von Wasserstoffisotopen, wie wir sie in dieser Arbeit durchgeführt haben, kann verwendet werden, um das Verhalten von Materialien in Kernreaktoren zu überwachen, die uns mit Strom versorgen", sagt der Leiter des Forschungsteams Sivanandan S. Harilal. "Es kann auch sehr wertvoll für die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation für die Wasserstoffspeicherung sein, die neue Energietechnologien ermöglichen, und für die Analyse von Materialkorrosion, wenn sie Wasser ausgesetzt ist."

Isotope messen

In der neuen Arbeit arbeiteten die Forscher daran, die besten Bedingungen für die Messung von Wasserstoffisotopen in Zircaloy-4 zu finden. Zirkonium-Legierungen sind in der Kerntechnik weit verbreitet, unter anderem als Hüllrohr für Kernbrennstäbe in Druckwasserreaktoren. Die Messung, wie viel Wasserstoff das Material während des Reaktorbetriebs aufnimmt, ist wichtig, um die Leistungsfähigkeit des Materials zu verstehen.

Um LIBS durchzuführen, wird ein gepulster Laser verwendet, um ein Plasma auf der Probe zu erzeugen. Das vom Laser erzeugte Plasma emittiert Licht, das für die verschiedenen Spezies in der Plasmafahne, wie Ionen, Atome, Elektronen und Nanopartikel, charakteristisch ist.

Die Verwendung von LIBS zum Nachweis spezifischer Isotope erfordert die Messung extrem schmaler Emissionsspektren von Atomen. Dies ist bei Isotopen leichterer Elemente wie Wasserstoff schwierig, da die extremen Temperaturen - 10.000 Kelvin oder höher - der lasererzeugten Plasmen die Spektrallinien verbreitern.

Für die Studie führten die Forscher LIBS mit unterschiedlichen Bedingungen der Plasmaerzeugung durch, indem sie verschiedene Laser zur Erzeugung von Plasmen verwendeten und verschiedene Analyseumgebungen testeten. Sie sammelten das emittierte Licht zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Erzeugung des Plasmas und in verschiedenen Abständen von der Probe mit Hilfe der räumlich und zeitlich aufgelösten spektralen Bildgebung, oder 2D-Spektralbildgebung.

"Mit der 2D-Spektralabbildung konnten wir verfolgen, wo und wann die Emission von Wasserstoffisotopen am stärksten war", sagt Harilal. "Aufgrund der vielen verschiedenen Spezies, die in einem Plasmaplume vorhanden sind, und seiner flüchtigen Natur, ist es entscheidend, Plasmen räumlich und zeitlich aufgelöst zu analysieren."

Ultraschnell ist am besten

Die Ergebnisse zeigten, dass Plasmen, die mit ultraschnellen Lasern erzeugt wurden, besser für die Wasserstoff-Isotopenanalyse geeignet waren als herkömmliche, mit Nanosekunden-Lasern erzeugte Plasmen, und dass die Erzeugung der Plasmen in einer Heliumgasumgebung mit moderatem Druck die besten Analysebedingungen bot.

"Wasserstoff ist in allen Umgebungen vorhanden, was es zu einer Herausforderung macht, den zu messenden Wasserstoff von dem in der Umgebung mit jeder Analysetechnik zu unterscheiden", sagte Harilal. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass die ultraschnelle LIBS in der Lage ist, Wasserstoffverunreinigungen von gelöstem Wasserstoff zu unterscheiden."

Die Forscher planen weitere Studien, um den Einsatz von ultraschnellen Lasern für die Wasserstoff-Isotopenanalyse mit LIBS weiter zu optimieren.

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Originalveröffentlichung

E. J. Kautz, A. Devaraj, D. J. Senor, S. S. Harilal, Hydrogen isotopic analysis of nuclear reactor materials using ultrafast laser-induced breakdown spectroscopy, Opt. Express, 29, 4, 4936-4946 (2021).

https://www.chemie.de/news/1169706/optimierte-libs-technik-verbessert-analyse-von-kernreaktor-materialien.html