News – US – La technique LIBS optimisée améliore l’analyse des matériaux des réacteurs nucléaires

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1 February 2021

par The Optical Society

Dans une nouvelle étude, les chercheurs rapportent une approche optimisée de l’utilisation de la spectroscopie de dégradation induite par laser (LIBS) pour l’analyse des isotopes d’hydrogène Leurs nouvelles découvertes pourraient permettre une identification et une mesure rapides améliorées de l’hydrogène et d’autres isotopes légers qui sont importants dans les matériaux des réacteurs nucléaires et d’autres applications.

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LIBS est prometteur pour mesurer les isotopes d’hydrogène car il ne nécessite aucune préparation d’échantillons et les données peuvent être rapidement acquises avec une configuration expérimentale relativement simple Cependant, la quantification de la concentration d’hydrogène a été difficile avec cette technique analytique

Dans la revue Optics Express de l’Optical Society (OSA), des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory montrent que la combinaison d’un laser ultrarapide – qui a des impulsions ultracourtes – avec certaines conditions environnementales permet d’améliorer les mesures LIBS des isotopes d’hydrogène dans les alliages industriels importants Cette technique optimisée pourrait permettre une analyse plus rapide des matériaux qui ont été irradiés dans les cœurs des réacteurs nucléaires

“Une imagerie chimique améliorée des isotopes de l’hydrogène, comme ce que nous avons réalisé dans ce travail, peut être utilisée pour surveiller le comportement des matériaux dans les réacteurs nucléaires qui nous fournissent de l’électricité”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche Sivanandan S Harilal “Il peut également être très utile pour le développement de matériaux de nouvelle génération pour le stockage de l’hydrogène qui peuvent permettre de nouvelles technologies énergétiques et pour analyser la corrosion des matériaux lorsqu’ils sont exposés à l’eau.”

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont travaillé pour trouver les meilleures conditions pour mesurer les isotopes de l’hydrogène dans le zircaloy-4 Les alliages de zirconium sont largement utilisés dans la technologie nucléaire, y compris comme gaine pour les barres de combustible nucléaire dans les réacteurs à eau sous pression La mesure de la quantité d’hydrogène captée par le matériau pendant le fonctionnement du réacteur est importante pour comprendre les performances du matériau

Pour effectuer le LIBS, un laser pulsé est utilisé pour générer un plasma sur l’échantillon Le plasma produit par laser émet une lumière caractéristique des différentes espèces du panache de plasma, telles que les ions, les atomes, les électrons et les nanoparticules

L’utilisation du LIBS pour détecter des isotopes spécifiques nécessite de mesurer des spectres d’émission extrêmement étroits d’atomes Ceci est difficile pour les isotopes d’éléments plus légers tels que l’hydrogène car les températures extrêmes – 10 000 Kelvin ou plus – des plasmas produits par laser élargissent les raies spectrales

Pour l’étude, les chercheurs ont réalisé une LIBS avec différentes conditions de génération de plasma en utilisant divers lasers pour générer des plasmas et en testant différents environnements d’analyse Ils ont collecté la lumière émise à différents moments après la génération du plasma et à différentes distances de l’échantillon en utilisant une imagerie spectrale résolue spatialement et temporellement ou une imagerie spectrale 2D.

“L’imagerie spectrale 2D nous permet de suivre où et quand l’émission des isotopes d’hydrogène était la plus forte”, a déclaré Harilal “En raison des multiples espèces présentes dans un panache de plasma et de sa nature transitoire, il est essentiel d’analyser les plasmas d’une manière résolue dans l’espace et dans le temps.”

Les résultats ont montré que les plasmas produits par des lasers ultrarapides étaient meilleurs pour l’analyse isotopique de l’hydrogène que les plasmas traditionnels produits par laser nanoseconde et que la génération des plasmas dans un environnement gazeux d’hélium avec une pression modérée fournissait les meilleures conditions d’analyse

“L’hydrogène est présent dans tous les environnements, ce qui rend difficile de distinguer l’hydrogène qui doit être mesuré de celui de l’environnement en utilisant n’importe quelle technique analytique”, a déclaré Harilal «Nos résultats montrent que le LIBS ultrarapide est capable de différencier les impuretés d’hydrogène de l’hydrogène soluté”

Les chercheurs prévoient de réaliser des études supplémentaires pour optimiser davantage l’utilisation des lasers ultra-rapides pour l’analyse isotopique de l’hydrogène avec LIBS

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