The analyses of hydrogen and boron isotopes are essential to achieve the economic feasibility and reliability of nuclear power plant operation. This study aims to develop a real-time analysis technique for these isotopes using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and laser ablation molecular isotopic spectrometry (LAMIS). The research could be divided into two parts. Firstly, hydrogen isotopic analysis was conducted in liquid and frozen waters. The atomic and molecular emission of hydrogenated species were identified, and the measurement conditions were optimized according to each matrix. In addition, a partial least squares regression (PLSR) algorithm was constructed in order to perform quantitative analysis. The results from PLSR prediction were evaluated by cross-validation procedures. The error of quantitative analysis was compared according to the matrix and utilized species. The PLSR results provided excellent accuracy with 1% of standard error.
Secondly, the boron isotopic analysis has been conducted in an aqueous boric acid solution. Double-pulse configuration was adopted to improve the detection sensitivity. Significant enhancement of the $BO_2$ emission was observed in the optimized double-pulse system. The detection limit was improved from about 700 ppm to 70 ppm for double pulse configuration. In addition, plasma characterization was performed to identify the signal enhancement mechanism. It was found that the plasma electron density and temperature could provide a positive effect on signal enhancement. In this thesis, the real-time monitoring system using LIBS-LAMIS was successfully developed for hydrogen and boron isotope detection in the nuclear power plant.
원자력발전소 운영에 있어 수소 및 붕소 동위원소의 분석은 경제성과 안정성 획득에 중요한 의미를 가진다. 본 연구에서는 레이저유도 파열 분광법을 활용하여, 원전 내 해당 동위원소에 적용 가능한 실시간 분석 기술을 연구하였다. 이를 위해, 레이저유도 파열 분광법에서 일반적으로 이용되는 원자 방출선뿐만 아니라, 동위원소 분석에 특장점을 가지는 분자 스펙트럼을 활용해 실험을 진행하였다. 먼저, 물과 얼음을 대상 물질로 선정하여 수소 동위원소 분석을 진행했다. 각 매질에 대한 최적 분석 조건을 구하고, 동위원소 분석에 활용 가능한 H, OH, NH 등의 방출선을 계측하였다. 또한 동위원소비 정량분석을 수행을 위해, 부분최소자승 회귀분석 알고리즘을 구현하였다. 교차 검증과정을 통해 각 측정 조건 및 사용 매질에 따른 정량분석 오차를 비교분석 하였고 1% 내외의 우수한 정확도를 가지는 결과를 확인할 수 있었다.
또한 수용액상에서 붕소 동위원소 ($^{10}B$/$^{11}B$) 분석을 진행하였으며, 이중 펄스를 활용하여 분석시스템을 고도화하였다. 최적화 된 이중 펄스 시스템에서 붕소 방출선의 세기가 10배 이상 증진되었으며, 붕소의 검출 한계가 단일 펄스의 700 ppm 수준에서 이중 펄스일 때 70 ppm 으로 향상되었다. 더불어 레이저유도 플라즈마의 특성 분석을 수행하여, 방출선 세기 향상 원인을 일부 증명하였다. 본 연구를 통해 개발된 레이저유도 분광시스템을 원전 계통수 내에서 실시간 동위원소 분석에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
