聯系電話：
010-5637 0168-696
《名家專欄》激光等離子體光譜技術（LIPS）系列專欄第八篇文章，邀請中國原子能科學研究院高智星研究員、王遠航老師及其團隊，分享激光誘導等離子體光譜技術在鈾礦探測領域的應用。
核能是一種重要的清潔能源，具有低碳、環保、高效的優勢。核能的開發和利用不受季節、天氣等自然條件的影響，與風能、太陽能相比更加穩定[1,2]。近十年來我國核能開發力度持續增加，截至2023年，我國核能發電量達到4334億度，核電在電力結構中的占比達到4.86%[3]。國家發改委發布的《“十四五"現代能源體系規劃》指出，要加快推動能源綠色低碳轉型，壯大清潔能源產業，積極安全有序發展核電。預計在2030年，我國核電發電量占總發電量比例將達到10 %，核能在我國能源結構中的重要性將進一步提升[4]。
圖1. 2015-2023中國核能發電量統計[3]
鈾礦的精準、高效探測是確保核燃料可靠供給和核能可持續發展的前提。激光誘導等離子體光譜（Laser-Induced Plasma Spectroscopy, LIPS）技術無需對礦石樣品進行消解處理，可以在現場對礦石中的元素成分進行快速分析，因此得到了鈾礦探測領域研究人員的廣泛關注。對于鈾礦探測而言，LIPS技術的價值在于利用裝備的便攜性在現場對礦石樣品的元素成分進行快速分析，對礦石種類和品位進行初步判定。本文針對LIPS技術在鈾礦石探測領域的應用進行介紹。
圖2. 中國核工業“開業之石"
鈾屬于稀有元素，在地殼中平均含量是1.7 ppm。按照我國現行的礦石劃分標準，硬巖（花崗巖、火山巖）中鈾的含量高于0.05%、砂巖中高于0.01%，視為工業鈾礦。因此，LIPS探測靈敏度是其在鈾礦探測領域應用的重要指標。研究表明，LIPS的探測靈敏度受礦石基體效應、等離子體激發條件、環境因素、光譜數據處理方法等多重元素的影響。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室E. J. Judge等[5]對比了鈾礦石粉末和壓片后的LIPS光譜；如圖3所示，將粉末壓片后LIPS特征強度和信噪比均有所提升。韓國國家原子能研究院（Korea Atomic Energy Research Institute , KAERI）Y. S. Kim等[6]對鈾礦石樣品進行粉碎、壓片、燒結處理，根據U 356.659 nm特征譜線歸一化強度繪制了定量分析定標曲線，得到LIPS裝置對礦石中鈾元素檢出限（Limit of Detection , LoD）為158 ppm。雖然樣品前處理方法簡單有效，但延長了分析時間，降低了LIPS技術的時效性；此外，鈾礦石樣品經過粉碎、混均后失去了元素空間分布信息，無法滿足原位分析需求。因此，業內期望通過優化激光等離子體激發條件，改進光譜處理算法實現鈾礦石成分的原位直接探測。
圖3. (a)鈾礦石壓片,(b)鈾礦石粉末LIPS光譜
在優化激光等離子體激發條件方面，華中科技大學武漢光電國家研究中心的李青洲等[7]采用激光誘導擊穿光譜結合激光誘導熒光（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy combined with Laser-Induced Fluorescence, LIBS-LIF）提高鈾礦石中的鈾特征譜線強度；研究結果表明，與僅采用LIPS技術相比，采用LIBS-LIF技術后U II 409.01 nm特征譜線強度提升21.3倍，鈾元素檢出限（LoD）由199 ppm下降至35 ppm。清華大學姬建訓等[8]通過將入射激光整形為平頂光束，有效改善了激光強度的空間分布，降低了激光與等離子體作用過程中的等離子體屏蔽效應，提高了等離子體輻射光譜強度。實驗裝置和光束整形如圖4所示，研究結果表明，光束整形后，鈾礦石中鈾元素特征譜線U II 409.013 nm強度提升約5倍，鈾元素檢出限達到21.2 ppm。中國原子能科學研究院高智星等[9]研發的背負式LIPS裝置通過提升激光-等離子體閃光傳輸效率，將鈾礦石中鈾元素的檢出限降低至18 ppm。激光等離子體激發條件的優化僅需對裝置硬件進行簡單改進即可有效改善LIPS探測限，無需進行樣品前處理，時效性好，適用于鈾礦石的原位、現場、快速分析。
圖4 (a)平頂光束實驗裝置，(b)光束整形示意圖
作為天然礦物，鈾礦石種類繁多，成分復雜，伴生礦物成分較多。鈾礦石多金屬成分的精確定量對于后續礦冶工藝的開發和礦物成分的綜合利用具有重要價值。早期的鈾礦石成分的LIPS定量分析主要是基于內標法或者外標法建立光譜強度-含量的定標曲線。但是，由于基體效應的影響，不同種類成分礦石需要建立不同的定標曲線，限制了LIPS現場定量分析的適用性。近年來，業內出現了將人工智能與LIPS分析技術相結合，在鈾礦石定量分析精度方面取得了較大的進步。肯尼亞內羅畢大學的B. Bhatt等[10]采用人工神經網絡對鈾礦石中鈾元素LIPS特征譜線進行分析，建立了鈾特征譜線強度和鈾濃度之間的多元校正模型，采用鈾元素弱特征譜線獲得的鈾濃度預測誤差為4.32%。四川大學舒開強等[11]采用LIPS技術對鈾礦石中的鈾（U）、硅（Si）、鋁（Al）、鈦（Ti）四種目標元素進行了原位現場快速定量分析，對比了單變量分析（UVA）模型和主成分回歸（PCR）、支持向量回歸（SVR）多變量分析模型的定量分析效果；研究結果表明多變量分析模型對鈾礦多元素分析準確度更高，其中SVR模型對Si、Al、Ti三種元素定量分析準確性最佳，驗證集相對誤差分別為0.01%、1.41%和0.13%，PCR模型對U元素定量分析準確度最佳，驗證集相對誤差為0.64 %。數據分析算法無需對裝置硬件進行改進，不增加裝置成本，對定量檢測精準度提升效果明顯，是LIPS技術發展的主要方向之一。
在天然鈾礦石中，鈾元素并不是均勻分布的。鈾元素空間分布特性反應了成礦環境信息，對探索鈾礦的形成和演化過程至關重要。在單點檢測的基礎上，研究人員開始采用LIPS技術對鈾礦石中的鈾元素分布進行分析。捷克布爾諾理工大學的J. Klus等采用正交雙脈沖LIPS對鈾礦石中的鈾元素進行檢測，在此基礎上對鈾元素的含量分布進行分析，獲得了鈾元素的二維分布圖；如圖5所示，鈾元素的二維分布的空間分辨率達到100 mm。捷克馬薩里克大學M. Hola等[12]將LIPS技術與激光燒蝕電感耦合等離子體質譜（Laser Ablation-Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, LA-ICP-MS）技術相結合對鈾礦石中的鈾（U）、鐵（Fe）、鉛（Pb）、鈣（Ca）等多種元素進行綜合分析，獲得了元素二維空間分布圖；其中LIPS被用于元素分布的整體快速成像，可以在20分鐘內獲取4.0′23.2 mm范圍內，51′290個點位的元素分布圖像，空間分辨率為80 mm。LIPS技術具有掃描速度快、空間分辨率高的獨*優勢，但掃描過程受基體效應影響較大，在檢測非均勻樣品時，樣品密度、硬度、元素含量的變化均會對檢測結果造成干擾。因此，根據檢測對象物理、化學特性的變化對特征譜線強度進行補償，突破不同基體下鈾礦石元素分布的精準定量，將是LIPS技術的研究重點。
圖5 鈾礦石中鈾元素的空間分布
參考文獻
[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. 核能發展藍皮書《中國核能發展報告》[M]. 北京: 社會科學文獻出版社, 2024.
[4] 李萍, 楊紅義, 劉琳, 等.“碳中和"目標下中國核電發展[J]. 節能技術, 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, 陳友元, 彭鄭英, 等. 鈾礦中多目標元素的激光誘導等離子體光譜定量分析方法研究[J]. 分析化學, 2023, 51(7): 1195-1207.
[12]Klus J, Mikysek P, Prochazka D, et al. Mu*tivariate 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，研究員，主要從事激光與物質相互作用、激光等離子體光譜研究。參與并負責科技部、裝備發展部多項科技發展項目。相關工作發表論文20余篇，授權專*10余項，擔任Matter and Radiation at Extremes等期刊審稿人。
免責說明
北京卓立漢光儀器有限公司公眾號所發布內容（含圖片）來源于原作者提供或原文授權轉載。文 章版權、數據及所述觀點歸原作者原出處所有，北京卓立漢光儀器有限公司發布及轉載目的在于傳遞 更多信息及用于網絡分享。
如果您認為本文存在侵權之處，請與我們聯系，會第一時間及時處理。我們力求數據嚴謹準確， 如有任何疑問，敬請讀者不吝賜教。我們也熱忱歡迎您投稿并發表您的觀點和見解。
