U-Zr氧化物压片密度对LIBS和LA-ICPMS激光采样效果的影响机制研究

针对核燃料中Zr元素难溶解分析的难题，研究人员通过LIBS（激光诱导击穿光谱）和LA-ICPMS（激光剥蚀电感耦合等离子体质谱）技术，系统探究了U-Zr氧化物压片密度对检测灵敏度、精度等关键指标的影响。研究发现，高温烧结提升密度可显著改善LIBS和1064 nm LA-ICPMS的信号强度、相关系数R2 及检出限，为核燃料直接检测提供了重要方法学优化依据。

　　

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论文解读

在核燃料循环与核取证领域，含锆（Zr）固体燃料的分析长期面临严峻挑战。这类材料不仅难以溶解（需使用剧毒的氢氟酸），其复杂的物理化学性质还直接影响检测准确性。尤其对于U-Zr合金燃料和含Zr包壳的二氧化铀燃料，传统溶解法会产生大量放射性废液，而直接采样技术如激光诱导击穿光谱（LIBS）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICPMS）因其近乎零废料、可远程操作的优势成为理想选择。然而，现有研究多聚焦于样品均质性或元素干扰，却忽略了烧结密度这一关键参数对激光采样效率的影响——这一空白直接关系到核燃料质量控制与退役燃料表征的可靠性。

为解答这一问题，来自印度核燃料综合体的U.K. Maity团队在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》发表研究，首次系统评估了U-Zr氧化物压片密度对LIBS和LA-ICPMS性能的影响。研究人员制备了两组不同烧结温度（对应不同密度）的U-Zr氧化物压片，通过对比1064 nm Nd:YAG激光与193 nm ArF准分子激光的检测结果，揭示了密度与分析方法性能的关联规律。

关键技术方法
研究采用核级天然UO₂
和ZrOCl₂
·8H₂
O为原料，通过硝酸溶解-共沉淀-氢气气氛烧结法制备四组不同U/Zr比例（3.9-15.2 wt% Zr）的压片。利用LIBS识别Zr(II) 414.89 nm和U(I) 556.42 nm非重叠谱线，结合LA-ICPMS（配备Nd:YAG和ArF两种激光源）对比分析密度对信号强度、校准曲线相关系数R²
、检出限(LOD)、精密度(RSD)和准确度的影响。

研究结果

样品制备
通过调节烧结温度（具体数值未公开）在Ar/H₂
还原气氛中制备高低密度压片。X射线衍射证实所有样品形成单一立方相固溶体，排除物相差异对结果的干扰。

非重叠峰识别
LIBS谱图中筛选出Zr(II) 414.89 nm和U(I) 556.42 nm作为特征分析线，避免元素间谱线干扰。通过纯物质与混合样品谱图比对，验证其特异性。

结论与意义
研究发现：① 高密度压片使LIBS的Zr/U信号强度比提升，校准曲线R²
从0.985改善至0.997，LOD降低达一个数量级；② 1064 nm LA-ICPMS结果与LIBS趋势一致，但193 nm激光受密度影响微弱，可能与短波长激光更依赖表面吸收特性有关；③ LA-ICPMS灵敏度整体优于LIBS，但LIBS在放射性样品原位检测中更具操作安全性。

该研究首次建立核燃料密度-激光采样效率的定量关系，为优化核燃料直接检测协议提供关键参数：对于LIBS和长波长LA-ICPMS，建议采用高温烧结样品以获得更优分析性能；而193 nm LA-ICPMS适用于密度不均样品的稳定检测。这一发现不仅推动核燃料分析技术进步，对高放射性样品的高通量筛查、核取证溯源等应用也具有重要实践价值。