《名家專欄》激光等離子體光譜技術(shù)（LIPS）系列專欄第八篇文章良好，邀請(qǐng)中國(guó)原子能科學(xué)研究院高智星研究員、王遠(yuǎn)航老師及其團(tuán)隊(duì)銘記囑托，分享激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)在鈾礦探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用引領。
核能是一種重要的清潔能源自動化裝置，具有低碳、環(huán)保應用前景、高效的優(yōu)勢(shì)有很大提升空間。核能的開發(fā)和利用不受季節(jié)、天氣等自然條件的影響首次，與風(fēng)能可能性更大、太陽(yáng)能相比更加穩(wěn)定[1,2]。近十年來(lái)我國(guó)核能開發(fā)力度持續(xù)增加搖籃，截至2023年技術，我國(guó)核能發(fā)電量達(dá)到4334億度，核電在電力結(jié)構(gòu)中的占比達(dá)到4.86%[3]推動。國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《“十四五"現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》指出相對較高，要加快推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)信息，積極安全有序發(fā)展核電相關。預(yù)計(jì)在2030年，我國(guó)核電發(fā)電量占總發(fā)電量比例將達(dá)到10 %豐富內涵，核能在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要性將進(jìn)一步提升[4]生產效率。
圖1. 2015-2023中國(guó)核能發(fā)電量統(tǒng)計(jì)[3]
鈾礦的精準(zhǔn)、高效探測(cè)是確保核燃料可靠供給和核能可持續(xù)發(fā)展的前提適應性。激光誘導(dǎo)等離子體光譜（Laser-Induced Plasma Spectroscopy, LIPS）技術(shù)無(wú)需對(duì)礦石樣品進(jìn)行消解處理節點，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)礦石中的元素成分進(jìn)行快速分析，因此得到了鈾礦探測(cè)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注面向。對(duì)于鈾礦探測(cè)而言支撐作用，LIPS技術(shù)的價(jià)值在于利用裝備的便攜性在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)礦石樣品的元素成分進(jìn)行快速分析，對(duì)礦石種類和品位進(jìn)行初步判定建設項目。本文針對(duì)LIPS技術(shù)在鈾礦石探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹最為突出。
圖2. 中國(guó)核工業(yè)“開業(yè)之石"
鈾屬于稀有元素，在地殼中平均含量是1.7 ppm相結合。按照我國(guó)現(xiàn)行的礦石劃分標(biāo)準(zhǔn)高效化，硬巖（花崗巖、火山巖）中鈾的含量高于0.05%不折不扣、砂巖中高于0.01%支撐能力，視為工業(yè)鈾礦。因此高效利用，LIPS探測(cè)靈敏度是其在鈾礦探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的重要指標(biāo)特征更加明顯。研究表明，LIPS的探測(cè)靈敏度受礦石基體效應(yīng)講理論、等離子體激發(fā)條件的可能性、環(huán)境因素不要畏懼、光譜數(shù)據(jù)處理方法等多重元素的影響。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室E. J. Judge等[5]對(duì)比了鈾礦石粉末和壓片后的LIPS光譜問題；如圖3所示逐漸顯現，將粉末壓片后LIPS特征強(qiáng)度和信噪比均有所提升。韓國(guó)國(guó)家原子能研究院（Korea Atomic Energy Research Institute , KAERI）Y. S. Kim等[6]對(duì)鈾礦石樣品進(jìn)行粉碎系統穩定性、壓片拓展基地、燒結(jié)處理，根據(jù)U 356.659 nm特征譜線歸一化強(qiáng)度繪制了定量分析定標(biāo)曲線實力增強，得到LIPS裝置對(duì)礦石中鈾元素檢出限（Limit of Detection , LoD）為158 ppm體系流動性。雖然樣品前處理方法簡(jiǎn)單有效，但延長(zhǎng)了分析時(shí)間重要工具，降低了LIPS技術(shù)的時(shí)效性積極拓展新的領域；此外，鈾礦石樣品經(jīng)過(guò)粉碎更優質、混均后失去了元素空間分布信息相對開放，無(wú)法滿足原位分析需求。因此脫穎而出，業(yè)內(nèi)期望通過(guò)優(yōu)化激光等離子體激發(fā)條件拓展應用，改進(jìn)光譜處理算法實(shí)現(xiàn)鈾礦石成分的原位直接探測(cè)。
圖3. (a)鈾礦石壓片,(b)鈾礦石粉末LIPS光譜
在優(yōu)化激光等離子體激發(fā)條件方面結構，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心的李青洲等[7]采用激光誘導(dǎo)擊穿光譜結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy combined with Laser-Induced Fluorescence, LIBS-LIF）提高鈾礦石中的鈾特征譜線強(qiáng)度管理；研究結(jié)果表明，與僅采用LIPS技術(shù)相比能力建設，采用LIBS-LIF技術(shù)后U II 409.01 nm特征譜線強(qiáng)度提升21.3倍模樣，鈾元素檢出限（LoD）由199 ppm下降至35 ppm。清華大學(xué)姬建訓(xùn)等[8]通過(guò)將入射激光整形為平頂光束服務，有效改善了激光強(qiáng)度的空間分布狀態，降低了激光與等離子體作用過(guò)程中的等離子體屏蔽效應(yīng)，提高了等離子體輻射光譜強(qiáng)度指導。實(shí)驗(yàn)裝置和光束整形如圖4所示廣泛認同，研究結(jié)果表明，光束整形后流動性，鈾礦石中鈾元素特征譜線U II 409.013 nm強(qiáng)度提升約5倍鍛造，鈾元素檢出限達(dá)到21.2 ppm。中國(guó)原子能科學(xué)研究院高智星等[9]研發(fā)的背負(fù)式LIPS裝置通過(guò)提升激光-等離子體閃光傳輸效率持續創新，將鈾礦石中鈾元素的檢出限降低至18 ppm改善。激光等離子體激發(fā)條件的優(yōu)化僅需對(duì)裝置硬件進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn)即可有效改善LIPS探測(cè)限，無(wú)需進(jìn)行樣品前處理，時(shí)效性好是目前主流，適用于鈾礦石的原位充分發揮、現(xiàn)場(chǎng)、快速分析充分發揮。
圖4 (a)平頂光束實(shí)驗(yàn)裝置，(b)光束整形示意圖
作為天然礦物管理，鈾礦石種類繁多設計，成分復(fù)雜，伴生礦物成分較多改進措施。鈾礦石多金屬成分的精確定量對(duì)于后續(xù)礦冶工藝的開發(fā)和礦物成分的綜合利用具有重要價(jià)值就此掀開。早期的鈾礦石成分的LIPS定量分析主要是基于內(nèi)標(biāo)法或者外標(biāo)法建立光譜強(qiáng)度-含量的定標(biāo)曲線。但是今年，由于基體效應(yīng)的影響穩步前行，不同種類成分礦石需要建立不同的定標(biāo)曲線，限制了LIPS現(xiàn)場(chǎng)定量分析的適用性動手能力。近年來(lái)逐步改善，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了將人工智能與LIPS分析技術(shù)相結(jié)合，在鈾礦石定量分析精度方面取得了較大的進(jìn)步提升〈蟠筇岣?？夏醽唭?nèi)羅畢大學(xué)的B. Bhatt等[10]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鈾礦石中鈾元素LIPS特征譜線進(jìn)行分析，建立了鈾特征譜線強(qiáng)度和鈾濃度之間的多元校正模型研究成果，采用鈾元素弱特征譜線獲得的鈾濃度預(yù)測(cè)誤差為4.32%取得了一定進展。四川大學(xué)舒開強(qiáng)等[11]采用LIPS技術(shù)對(duì)鈾礦石中的鈾（U）、硅（Si）體驗區、鋁（Al）增多、鈦（Ti）四種目標(biāo)元素進(jìn)行了原位現(xiàn)場(chǎng)快速定量分析，對(duì)比了單變量分析（UVA）模型和主成分回歸（PCR）有望、支持向量回歸（SVR）多變量分析模型的定量分析效果進一步推進；研究結(jié)果表明多變量分析模型對(duì)鈾礦多元素分析準(zhǔn)確度更高，其中SVR模型對(duì)Si標準、Al示範推廣、Ti三種元素定量分析準(zhǔn)確性最佳，驗(yàn)證集相對(duì)誤差分別為0.01%即將展開、1.41%和0.13%大幅增加，PCR模型對(duì)U元素定量分析準(zhǔn)確度最佳，驗(yàn)證集相對(duì)誤差為0.64 %傳承。數(shù)據(jù)分析算法無(wú)需對(duì)裝置硬件進(jìn)行改進(jìn)等特點，不增加裝置成本，對(duì)定量檢測(cè)精準(zhǔn)度提升效果明顯，是LIPS技術(shù)發(fā)展的主要方向之一將進一步。
在天然鈾礦石中充分發揮，鈾元素并不是均勻分布的。鈾元素空間分布特性反應(yīng)了成礦環(huán)境信息成就，對(duì)探索鈾礦的形成和演化過(guò)程至關(guān)重要重要方式。在單點(diǎn)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，研究人員開始采用LIPS技術(shù)對(duì)鈾礦石中的鈾元素分布進(jìn)行分析系統。捷克布爾諾理工大學(xué)的J. Klus等采用正交雙脈沖LIPS對(duì)鈾礦石中的鈾元素進(jìn)行檢測(cè)非常重要，在此基礎(chǔ)上對(duì)鈾元素的含量分布進(jìn)行分析，獲得了鈾元素的二維分布圖空間廣闊；如圖5所示營造一處，鈾元素的二維分布的空間分辨率達(dá)到100 mm。捷克馬薩里克大學(xué)M. Hola等[12]將LIPS技術(shù)與激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜（Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, LA-ICP-MS）技術(shù)相結(jié)合對(duì)鈾礦石中的鈾（U）知識和技能、鐵（Fe）取得顯著成效、鉛（Pb）、鈣（Ca）等多種元素進(jìn)行綜合分析實現，獲得了元素二維空間分布圖不容忽視；其中LIPS被用于元素分布的整體快速成像，可以在20分鐘內(nèi)獲取4.0′23.2 mm范圍內(nèi)的可能性，51′290個(gè)點(diǎn)位的元素分布圖像不要畏懼，空間分辨率為80 mm。LIPS技術(shù)具有掃描速度快應用領域、空間分辨率高的獨(dú)*優(yōu)勢(shì)保持競爭優勢，但掃描過(guò)程受基體效應(yīng)影響較大，在檢測(cè)非均勻樣品時(shí)發展機遇，樣品密度長效機製、硬度、元素含量的變化均會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成干擾全技術方案。因此分享，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象物理、化學(xué)特性的變化對(duì)特征譜線強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償信息化，突破不同基體下鈾礦石元素分布的精準(zhǔn)定量方式之一，將是LIPS技術(shù)的研究重點(diǎn)。
圖5 鈾礦石中鈾元素的空間分布
參考文獻(xiàn)
[1] Krūmi?? J, K?avi?? M. Investigating the potential of nuclear energy in achieving a carbon-free energy future[J]. Energies, 2023, 16(9): 3612.
[2] Naimo?lu M. The impact of nuclear energy use, energy prices and energy imports on CO2 emissions: Evidence from energy importer emerging economies which use nuclear energy[J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 373: 133937.
[3] 張廷克, 李閩榕, 白云生. 核能發(fā)展藍(lán)皮書《中國(guó)核能發(fā)展報(bào)告》[M]. 北京: 社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社, 2024.
[4] 李萍, 楊紅義, 劉琳, 等.“碳中和"目標(biāo)下中國(guó)核電發(fā)展[J]. 節(jié)能技術(shù), 2023, 41(1): 10-15.
[5] Judge E J, Barefield II J E, Berg J M, et al. Laser-induced breakdown spectroscopy measurements of uranium and thorium powders and uranium ore[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2013, 83: 28-36.
[6] Kim Y S, Han B Y, Shin H S, et al. Determination of uranium concentration in an ore sample using laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2012, 74: 190-193.
[7] Li Q Z, Zhang W, Tang Z Y, et al. Determination of uranium in ores using laser-induced breakdown spectroscopy combined with laser-induced fluorescence[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2020, 35(3): 626-631.
[8] Ji J X, Song W R, Hou Z Y, et al. Raw signal improvement using beam shaping plasma modulation for uranium detection in ore using laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Analytica Chimica Acta, 2022, 1235: 340551.
[9] He Y, Hu F M, Gao Z X, et al. Identification of nuclear materials using portable laser-induced plasma spectroscopy[J]. Proc. SPIE 12962, AOPC 2023: Optical Spectroscopy and Imaging; and Atmospheric and Environmental Optics, 129620A.
[10]Bhatt B, Angeyo K H, Dehayem-Kamadjeu A. LIPS development methodology for forensic nuclear materials analysis[J]. Analytical Methods, 2018, 10(7): 791-798.
[11]舒開強(qiáng), 陳友元, 彭鄭英, 等. 鈾礦中多目標(biāo)元素的激光誘導(dǎo)等離子體光譜定量分析方法研究[J]. 分析化學(xué), 2023, 51(7): 1195-1207.
[12]Klus J, Mikysek P, Prochazka D, et al. Mul*ivariate approach to the chemical mapping of uranium in sandstone-hosted uranium ores analyzed using double pulse laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2016, 123: 143-149.
人物介紹
高智星新型儲能，研究員創新能力，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、激光等離子體光譜研究範圍。參與并負(fù)責(zé)科技部求得平衡、裝備發(fā)展部多項(xiàng)科技發(fā)展項(xiàng)目。相關(guān)工作發(fā)表論文20余篇，授權(quán)專*10余項(xiàng)至關重要，擔(dān)任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人提供深度撮合服務。
免責(zé)說(shuō)明
北京卓立漢光儀器有限公司公眾號(hào)所發(fā)布內(nèi)容（含圖片）來(lái)源于原作者提供或原文授權(quán)轉(zhuǎn)載。文 章版權(quán)的發生、數(shù)據(jù)及所述觀點(diǎn)歸原作者原出處所有組成部分，北京卓立漢光儀器有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞 更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享。
如果您認(rèn)為本文存在侵權(quán)之處狀態，請(qǐng)與我們聯(lián)系技術節能，會(huì)第一時(shí)間及時(shí)處理。我們力求數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確廣泛認同， 如有任何疑問(wèn)，敬請(qǐng)讀者不吝賜教流動性。我們也熱忱歡迎您投稿并發(fā)表您的觀點(diǎn)和見解鍛造。
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
員.png)
9
立即詢價(jià)
您提交后應用情況，專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)