近日，橡树岭国家实验室的科学家们成功开发出一种能够实时跟踪熔盐化学变化的方法，为部署熔盐反应堆进行能源生产奠定了重要基础。
熔融盐气溶胶的 LIBS 等离子体由喷射盐容器形成。图片来源：Zechariah Kitzhaber/ORNL，美国能源部
加热至熔点以上的盐可用于溶解铀，形成的混合物在熔盐反应堆中既可作为冷却剂，也可作为燃料。值得一提的是，橡树岭国家实验室早在20世纪50年代和60年代就曾运行过两座实验性熔盐反应堆，但目前美国尚无在运行的熔盐反应堆。近年来，熔盐反应堆因其安全性、效率以及产生放射性同位素的潜力而重新受到关注。然而，其复杂的化学成分要求必须有新的传感技术来监测反应堆的化学状态。
据《美国化学会志》发表的《通过激光诱导击穿光谱法对熔盐体系进行实时元素和同位素测量》一文介绍，科学家们首次利用激光诱导击穿光谱法(LIBS)测量熔盐中的元素并识别同位素。
在LIBS技术中，激光被聚焦到材料上，形成发出光的等离子体。科学家通过分析发射的光，可以识别和量化盐中的元素和同位素。在此次研究中，科学家们使用了一个模块化LIBS平台，该平台允许多个光谱仪同时捕获信息。
橡树岭国家实验室的研究员Hunter Andrews表示，LIBS以往曾用于研究固体样本(如植物根系、固体核燃料和地质样本)的元素组成，但这些样本不会随时间而变化。他强调：“在这里，我们想展示LIBS的元素和同位素综合能力，并利用其毫秒级的快速测量速度。”
橡树岭国家实验室的科学家们成功使用LIBS实时测量了熔盐中的各种元素和同位素，这是一项颇具挑战性的任务。他们制作了硝酸钠和硝酸钾的盐混合物，并将其加热至350摄氏度的液体状态，然后使用氩气(单独不会引起反应)将两种氢同位素送入熔盐。
通过这些测量，科学家们还能够估算出气体在熔盐中的扩散速率以及盐可以容纳的气体量，这有助于他们了解化学反应以及气体在盐中的溶解度。此外，LIBS能够区分气体中的氢和水，因为它能够同时检测氧气。
Andrews表示：“我们利用LIBS进行了多项概念验证实验，以追踪气溶胶和气体，发现它非常有见地。通过转向真正的熔盐，我们能够在更现实的系统中展示LIBS不仅可以让研究人员更好地了解他们的实验，还可以监测反应堆。”
目前，美国所有的商用反应堆均采用轻水反应堆，其中使用水来冷却燃料棒，并减缓核裂变过程中产生的中子，从而使提供动力的链式反应持续进行。而在熔盐反应堆中，冷却剂和燃料都是在反应堆核心中循环的液体，这意味着它们可以更有效地发电，并且可以在运行过程中收获放射性同位素。新的LIBS光谱方法将帮助研究人员实时测量和识别熔盐中存在的同位素。
