Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, Pacific Northwest National Laboratory en Washington State University werkten samen om de complexe dynamiek van vloeistoffen met een laag watergehalte te onderzoeken die de verwerking van nucleair afval op federale opruimingssites uitdagen.

De resultaten, als omslag te zien in de Journal of Physical Chemistry B , helpen licht te werpen op de fundamentele chemie die aan het werk is in oud tankafval, die bijzonder moeilijk te verwerken is vanwege de aanwezigheid van onvoorspelbare waterarme of "water-in-zout" oplossingen.

"Opmerkelijk, deze elektrolytoplossingen zijn in staat om bij zeer hoge zoutconcentraties een vloeibare toestand te behouden; maar als gevolg daarvan ze bewegen niet vrij zoals normaal, meer verdunde vloeistoffen, " zei ORNL geochemicus Hsiu-Wen Wang, die het onderzoek naar neutronenverstrooiing leidde dat in het onderzoek werd uitgevoerd.

Water-in-zoutoplossingen worden gekenmerkt door hoge viscositeiten die kunnen schommelen tussen vloeibaar en bijna vast, glasachtige toestanden, waardoor ze moeilijk te controleren zijn. In nucleaire afvaltanks, deze bijtende oplossingen kunnen pompen en leidingen verstoppen, het belemmeren van hun verwijdering voor verwerking.

Een beter begrip van de fundamentele chemie van deze ongebruikelijke klasse van vloeistoffen zou brede toepassingen kunnen ondersteunen voor het stabiliseren van deze oplossingen en zou informatie kunnen geven over opruimstrategieën voor legacy tankafval dat zich in de jaren 1940-1980 heeft opgehoopt.

DOE's Hanford-site in Washington, bijvoorbeeld, genereerde miljarden gallons verontreinigde vloeistoffen gedurende meer dan 40 jaar van zijn activiteiten in het atoomtijdperk. De "tankparken" van de site zijn een van de moeilijkste en duurste agendapunten op het milieuopruimingsprogramma van DOE.

"De sanering van het afval wordt bemoeilijkt door de unieke chemische eigenschappen in dit soort complexen, sterk geconcentreerde omgeving, waarbij radioactiviteit voor extra uitdagingen zorgt, " zei Andrew Stack van ORNL's Chemical Sciences Division. "Door te proberen te begrijpen wat er op atomair niveau gebeurt in complexe oplossingen, we kunnen hun eigenschappen en hun reactiviteit beter voorspellen, en dat kan leiden tot verbeterde strategieën om nucleair afval te verwerken."

Ondersteund door IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), een DOE Energy Frontier Research Center, onderzoekers bestudeerden een niet-radioactieve synthetische pekel van natriumhydroxide-aluminaat (Na+OH–/Al(OH)4-).

Het mengsel is in meer verdunde concentraties aanwezig in de afvaltanks van Hanford, samen met verschillende andere elektrolytoplossingen die zich op dezelfde manier gedragen.

In een glas water op kamertemperatuur, watermoleculen migreren in picoseconden. Echter, in de bestudeerde oplossingen, onderzoekers ontdekten dat deze bewegingen 10 tot 100 keer langzamer waren, afhankelijk van de zoutconcentratie.

Eigenlijk, watermoleculen worden "opgesloten" of omgeven door ionen in een complexe soep van onderling verbonden bewegingen. "Om één ion te laten bewegen, veel andere moleculen en ionen moeten bewegen, wat de dynamiek interessant maakt, " zei Wang.

Ondanks het trage karakter van water-in-zoutoplossingen, zei Stapel, "Veel verschillende soorten gelijktijdige bewegingen - sommige snel en sommige langzaam - vinden plaats op atomair niveau."

Om deze snelle en langzame atoombewegingen te begrijpen, onderzoekers wendden zich tot experimentele mogelijkheden bij twee DOE Office of Science User Facilities, de Spallation Neutron Source bij ORNL en het Environmental Molecular Sciences Laboratory bij PNNL.

Het team voerde quasi-elastische neutronenverstrooiing (QENS) uit bij ORNL en nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie bij PNNL. Samen gebruikt, QENS- en NMR-spectroscopie kunnen alternatieve perspectieven bieden op de manier waarop atomen zich heroriënteren en zich door een oplossing verspreiden.

"NMR-spectroscopie onthult de beweging van atomen gedurende vele milliseconden, terwijl QENS atomaire beweging over picoseconden vastlegt, " zei Trent Graham, die de NMR-spectroscopie in het onderzoek uitvoerde. "In combinatie, deze twee technieken bieden complementaire gegevens op meerdere tijdschalen, wat van cruciaal belang is voor het begrijpen van de complexe bewegingen van ionen in de oplossingen die we bestuderen."

Met het BASIS-instrument bij ORNL, het team gebruikte neutronen om unieke informatie te verzamelen die niet met andere technieken kan worden verkregen.

"Neutronen zijn zeer geschikt voor systeemanalyse op waterbasis, omdat ze een gunstig contrast bieden voor zwakke atomen, zoals waterstof, niet gemakkelijk te zien door röntgenstralen; en QENS is een specifieke techniek waarbij neutronen worden gebruikt om ruimtelijke en temporele informatie over atomen te correleren, " zei BASIS-instrumentwetenschapper Eugene Mamontov.

"Atomen veranderen van positie als water beweegt, en QENS kan je niet alleen vertellen hoe snel of hoe snel de sprongen plaatsvinden, maar ook op welke afstand en hoe deze details overeenkomen met de chemische structuur, ’ zei Mamontov.

Het combineren van dynamiek met structurele analyse is een doel van het onderzoek. Experimentele gegevens werden vergeleken met moleculaire dynamica-simulaties uitgevoerd in de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE-gebruikersfaciliteit bij ORNL, in een begeleidende studie over de structuur van Na ⁺ OH ^– /Al(OH) ₄ ^- .

Het tijdschriftartikel is gepubliceerd als "Coupled Multimodal Dynamics of Hydrogen-Containing Ion Networks in Water-Deficient, Natriumhydroxide-aluminaatoplossingen."