拉满传感器 科学家借助拉曼光谱传感器来加速乏核燃料的回收再利用

科学家借助拉曼光谱传感器来加速乏核燃料的回收再利用

为了减少放射性废弃物、并让核反应堆的运营更具经济效益，美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们，正在讲究一套基于实时光谱检测的新方法，以改善乏核燃料的回收利用。 New Atlas 指出，核电最大的卖点之一，就是只需为反应堆提供极少的核燃料。一颗仅重 0.35 盎司（10 克）的核燃料颗粒，即可产出相当于一吨煤的能量。

乏燃料池资料图（来自：美国核管理委员会）

然而当前核电的一个主要短板，就是乏燃料在“被耗尽”时，仍含有 95% 的可裂变物质，迫使有关部门必须建设一个能够安全可靠地存储它们的乏燃料池。

以美国为例，当地设置的标准是将乏燃料存储在地下。但与许多人印象中的“永久埋藏”相反，这些设施并不能一劳永逸地处置完乏燃料，而是要将他们保留到可被再次利用。

主要原因是，乏燃料中仍在包含大量的可裂变元素（主要是铀），以及医学和工程界迫切需要的大量极具价值的放射性同位素。

乏燃料回收需借助化学处理系统来分离出 act 系元素

不过乏燃料的真正问题，是因为这堆复杂的混合物中包含了元素周期表中的一半元素，导致其分离工作变得异常艰难。

尽管核燃料加工行业已颇具技术规模，但当前不仅加工进度十分缓慢、价格也相当昂贵，更别提生产纯钚（plutonium）危险性、以及面临着核扩散等方面的问题。

庆幸的是，为改善回收流程，PNNL 正研究使用拉曼光谱仪（Raman Spectroscopy）来实时监测乏燃料。

使用基于不同激发波长的特定拉曼系统来识别乏燃料中的化学物质

PNNL 研究人员指出，当乏燃料在溶液中流经传感器时，这套化学分析系统能够利用光与分子中的化学键的相互作用，来获得有关其化学结构、相态、多晶型、晶体结构、以及分子相互作用等信息。

基于这方面的数据，研究团队得以监测工业级的乏燃料、将之转化为液体形式、接着送至离心机，然后按质量分离出不同的元素。

实时监测能够严格地控制铀与钚之间的比率，并去除不需要的元素和同位素，以生产出能够在高级反应堆中作为核燃料的循环材料。

研究配图：拉曼光谱传感器结构与功能示意

PNNL 化学家阿曼达·莱恩斯（Amanda Lines）表示，实时监测对于确定确切的化学元素比率至关重要。

对于研究人员来说，它可通过提供近乎实时的信息，来帮助控制和理解化学过程，从而增强了操作人员的能力。

更棒的是，这项技术具有极高的成本效益，并未开发和改进回收方案而提供了难得的机遇。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《ACS Sensor》期刊上，原标题为：

《Sensor Fusion: Comprehensive Real-Time, On-Line Monitoring for Process Control via Visible, Near-Infrared, and Raman Spectroscopy》。

厘米级微型拉曼光谱仪

　　其光学布局和工作原理如下图所示：

　　拉曼光谱提供了一种微尺度下对化学成分的无损、无标记定量研究手段。现有的拉曼光谱仪微型化策略主要存在以下问题：光谱分辨率及光谱范围不足、高水平传感器暗噪声导致的信噪比(SNR)受限、传感器像素间的量子效率(QE)变化较大、共焦性或深度分层差、激光波长和激光器光功率不稳定、激光光学反馈灵敏度高以及功耗高。

　　近日，丹麦技术大学的科研团队提出了一种厘米级微型拉曼光谱仪，采用了经济型非稳定激光二极管、密集光学元件和非制冷小型传感器。其性能可与昂贵、体积庞大的科研级拉曼系统相媲美。该微型拉曼光谱仪具有出色的灵敏度、低功耗、完美的波数以及强度校准，并在400 ~ 4000 cm⁻¹范围内利用内置参考基准实现了7 cm⁻¹的分辨率。该微型拉曼光谱仪的高性能和通用性在应用实例中得到了证明，应用实例包括饮品中甲醇的定量测定、人体皮肤的活体拉曼测量、发酵监测、亚微米分辨率的化学拉曼映射、抗癌药物甲氨蝶呤(MTX)的定量表面增强拉曼光谱(SERS)映射以及体外细菌鉴定等。可以预见，这种微型化策略有望使超紧凑型拉曼光谱仪集成到智能手机和医疗设备中，从而推动拉曼技术的普及。

　　下图为微型拉曼系统的灵敏度和量化性能演示：

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