Das Chinesische Institut für Atomenergie (CIAE) gab kürzlich bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Online-Überwachungsgeräten für das Kühlmittel von natriumgekühlten schnellen Reaktoren bekannt. Auf Basis der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS) entwickelten die Wissenschaftler des Instituts einen Funktionsprototypen und führten erstmals weltweit eine quantitative Analyse der Spurenkonzentrationen von Sauerstoff und Eisen – den wichtigsten Kontrollverunreinigungen in flüssigem Natrium – mit dieser Technologie durch. Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Qualitätskontrolle des Kühlmittels von natriumgekühlten schnellen Reaktoren dar. Die entsprechende wissenschaftliche Arbeit wurde in der international renommierten Fachzeitschrift für Spektroskopie, dem Journal of Analytical Atomic Spectrometry, veröffentlicht.
Der natriumgekühlte schnelle Reaktor ist eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen der chinesischen Reaktortechnologie der vierten Generation. Eine der Schlüsselaufgaben für seinen sicheren und effizienten Betrieb ist die schnelle und hochpräzise Überwachung des Gehalts an Verunreinigungen im flüssigen Natrium, das als Kühlmittel dient.
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie erfordert keine Probenvorbereitung und ermöglicht die Probenahme und Messung in einem einzigen System. Daher bietet diese Technologie erhebliche Vorteile für die kontinuierliche Überwachung des Kühlmittels von natriumgekühlten schnellen Reaktoren. Die quantitative Analyse von Spurenverunreinigungen in heißem flüssigem Natrium stellt jedoch eine komplexe wissenschaftliche und technische Herausforderung dar. Faktoren wie die hohe chemische Reaktivität des flüssigen Natriums, die Bildung von Natriumaerosolen und das Spritzen der Schmelze beeinflussen die Messgenauigkeit erheblich.
Um diese Probleme zu lösen, entwickelten Wissenschaftler des Instituts für Reaktortechnik des Chinesischen Instituts für Atomenergie ein Online-Überwachungssystem auf Basis der LIBS-Technologie. Im Design der Vorrichtung wurde erstmals eine innovative Methode der gerichteten Gasspülung eingesetzt, die die Auswirkungen von Natriumaerosolen und Schmelzspritzern auf die Messergebnisse wirksam beseitigt.
Darüber hinaus nutzten die Forscher die von der Chinesischen Nationalen Akkreditierungsstelle für Konformitätsbewertung (CNAS) akkreditierten Laborressourcen, um eigenständig eine der anspruchsvollsten Hürden zu überwinden – die Herstellung von Standardproben aus flüssigem Natrium mit Spurenverunreinigungen. Damit wurde erstmals weltweit eine Kalibrierkurve zur Bestimmung des Gehalts an Kontrollverunreinigungen in flüssigem Natrium mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie erstellt. In der nächsten Phase des Projekts werden die Entwicklung und Tests eines technischen Prototyps durchgeführt. Es wird erwartet, dass diese Ergebnisse eine wichtige Unterstützung für die Modernisierung von Analyse- und Überwachungssystemen für das Kühlmittel von flüssigmetallgekühlten schnellen Neutronenreaktoren bieten und die notwendige technische Grundlage für zukünftige Projekte wie die neue Generation integrierter natriumgekühlter schneller Reaktoren schaffen.