原位拉曼光谱技术在核反应堆熔盐体系表征与在线监测中的应用

一、背景

       21世纪后，随着四代核电规划、碳中和需求及材料技术进步，熔盐堆全球复兴，我国钍基熔盐堆研发领跑世界，但目前仍面临诸多瓶颈与挑战：核反应堆熔盐体系面临高温强腐蚀、组分复杂、光谱干扰严重、传统取样离线分析滞后、难以实时监测氧化态与沉淀等关键挑战。

二、应用概述

       拉曼光谱是适用于熔盐堆高温、强腐蚀工况的原位在线光学监测，可与紫外-可见光谱联用，为熔盐堆核材料衡算与燃料化学监控提供关键支撑。

       其核心应用包括：

       识别铀的氧化态，仅U (VI) 具有特征拉曼信号，可快速判断熔盐氧化还原环境；

       检测熔盐中阴离子及配位结构，如硝酸根等，实现离子定性与定量；

       适配光学流通池集成，完成在线连续监测与回路性能验证。

       拉曼光谱具备指纹性强、非侵入、定量稳定等优势，可弥补紫外-可见光谱在阴离子与高价态铀检测上的不足，是熔盐堆化学表征与核材料监控不可或缺的分析手段。

图1   小型炉系统示意图

图2-1   小型炉系统实物

图2-2   小型炉系统实物

图2-3   熔盐堆基体中部分燃料、裂变产物和腐蚀产物的光学特征

       图1为该炉体系统示意图。该小型炉体系统基于图2-1和2-2装置改进，以实现更好的温度和光学控制。系统设计用于容纳光学透明样品池（比色皿）。该设计中，增加加热炉盖，防止熔盐从容器中爬壁溢出，并起到保温作用，方便在实验中加入特定元素样品。可同时进行拉曼和紫外-可见光谱测量。

       图2-3为熔盐堆基体中部分燃料、裂变产物和腐蚀产物的光学特征图谱。A) 氯化锂-氯化钾熔盐中 Nd (III)；B) 氯化锂-氯化钾熔盐中 Pu (III)；C) 氯化锂-氯化钾熔盐中 Cr (III)。图例：红线为与 U (III) 重叠的光学特征峰；绿线为与 U (IV) 重叠的峰；黄线为与 U (VI) 重叠的峰。

       紫外-可见光谱仪有效波长范围约为450~850 nm。拉曼仪器采用532 nm 激发激光，配备特制光纤拉曼探头。波数轴采用海洋光学波长校准光源校准，分辨率优于11 cm⁻¹，波数范围为140~4500 cm⁻¹。

       所有熔盐实验均在惰性手套箱内进行。手套箱内气氛维持在氧气含量＜0.3 ppm、水分含量＜8 ppm。箱体压力维持在-1.1 英寸水柱。惰性气氛由超高纯氩气提供。样品池在放入手套箱前经高于150℃充分清洗干燥。

三、结语

       拉曼光谱凭借其非接触、抗干扰能力强的特点，成为熔盐反应堆关键的原位监测工具。它能实时解析高温熔盐中氟化物、氯化物的分子结构与化学键变化，精准监测裂变产物生成、氧化还原电位及杂质浓度。该技术无需取样，可穿透石英窗口直接检测，有效避免了强辐射环境下的样品污染与人员风险，为反应堆的安全运行与燃料循环提供了重要的动态数据支持。