"Er zijn nog heel veel vragen die beantwoord moeten worden in de uraniumchemie, met name in de context van de splijtstofcyclus; maar wanneer onderzoekers hun vaardigheden en expertise combineren, baanbrekende en significante oplossingen kunnen worden gevonden, " zei Dr. Zhaoming Zhang, Hoofdonderzoeker, Kernbrandstofcyclus, ANSTO.

ANSTO's aanzienlijke expertise in het karakteriseren van uraniumbevattende verbindingen heeft bijgedragen aan een nieuw systematisch onderzoek naar de oorsprong van atomaire structurele vervormingen in een familie van actinideverbindingen.

Deze verbindingen staan ​​bekend als aan rutiel gerelateerde ternaire (driedelige) uraniumoxiden. Rutiel verwijst naar minerale verbindingen die voornamelijk uit titaniumdioxide bestaan.

In onderzoek gepubliceerd in Anorganische scheikunde , een groot team van onderzoekers gebruikte zowel neutronen- als synchrotronstraling en theoretische berekeningen om systematisch nauwkeurige en nauwkeurige kristalstructuren en uraniumoxidatietoestanden vast te stellen in de aan rutiel gerelateerde gemengde metaal-ternaire uraniumoxidesystemen.

"Deze verbindingen zijn relevant voor verbruikte splijtstof, maar het onderzoek is ook belangrijk voor de wetenschap van uraniummineralen, aangezien sommige van de ternaire uraniumoxiden in de natuur zijn gevonden, " zei Zhang, de hoofdauteur van ANSTO.

Uranium en gemengde metaal-uraanverbindingen hebben een unieke en complexe chemie, evenals radioactiviteit, die een speciale behandeling vereist.

Het is belangrijk om de variatie in atomair gedrag en kristalstructuur te begrijpen, aangezien deze nauw verband houden met materiaaleigenschappen, met name die welke relevant zijn voor verbruikte splijtstof.

"Op basis van eerdere onderzoeken de kristalstructuur van alle gemengde metaal-ternaire uraniumoxiden, AUO4, wordt voornamelijk bepaald door de relatieve grootte van de A- en U-ionen. Echter, er is wat twist in de juiste ruimtegroep, die de symmetrie in de kristalstructuur beschrijft, aan een bepaald rutiel-gerelateerd gemengd metaal ternair uraniumoxide (β-CdUO4), wat ons aanvankelijk motiveerde om het huidige onderzoek te starten, " verklaarde Dr. Zhang.

En hoewel onderzoek naar sommige van deze materialen teruggaat tot het Manhattan Project, moderne vooruitgang in het karakteriseren van technieken heeft ons in staat gesteld hiaten in de kennis van hun complexe chemische gedrag aan te pakken.

Dit onderzoek is gestart tijdens de Ph.D. werk van de eerste auteur, Dr. Gabriël Murphy, nu bij het Institute of Nuclear Waste Management and Reactor Safety, Forschungszentrum Jülich, Duitsland, die werd begeleid door Zhang bij ANSTO en Prof Brendan Kennedy aan de Universiteit van Sydney.

Murphy's Ph.D. proefschrift onderzocht en verduidelijkte de chemie van gecondenseerde materie van uranium in sommige gemengde metaal-ternaire uraniumoxiden en ontrafeld enkele opmerkelijke eigenschappen, bijv. het identificeren van de omkeerbare zuurstofdefectordening en symmetrieverlagende transformatie met verwarming in α-SrUO4-x.

De onderzoekers van de huidige studie gebruikten een combinatie van röntgenstraling met hoge resolutie en neutronendiffractie, Röntgenabsorptie nabij randstructuur (XANES) spectroscopie, en theoretische berekeningen om de structurele vervormingen te begrijpen die optreden in de aan rutiel gerelateerde gemengde metaal-ternaire uraniumoxiden, AUO ₄ .

Er werd ontdekt dat de vervormingen zich manifesteren in het kantelen van de AO6 polyedrische eenheden in de structuur, als gevolg van de mismatch in grootte tussen de A- en U-kationen. De evolutie van de hellingshoek kan ook worden gebruikt om fasetransformaties tussen verschillende ruimtegroepen te voorspellen.

"Hoewel de polyedrische kanteling eerder is gemeld in andere gemengde metaaloxiden, het is de eerste toepassing van het fenomeen op gemengde metaaluraanoxiden, " zei Zhang.

De onderzoekers wezen ook op de uitdagingen en beperkingen die samenhangen met de toepassing van standaard uranium-berekeningscodes op gemengde metaaluraanoxiden. Dergelijke codes zijn bijvoorbeeld van cruciaal belang bij de voorspelling van structuur-eigenschapsrelaties in nucleaire brandstof- of splijtstofbekledingsproducten met gemengd metaal-uraanoxide, waar deze vaak te moeilijk zijn om met experimentele methoden te bestuderen.

De onderzoekers bieden daarom een ​​corrigerende aanpak hiervoor en helpen toekomstige studies van gemengde metaal-uraanoxidematerialen te begeleiden.

Dit werk was het resultaat van een langdurige samenwerking tussen Australische en Duitse wetenschappers, waaronder Drs Max Avdeev, Eugenia Kuo en Daniel Gregg van ANSTO.

De auteurs bedankten Dr. Chris Griffith van ANSTO's Minerals business unit voor zijn steun bij de behandeling van radioactief materiaal om dit werk verder mogelijk te maken.

"Er zijn nog heel veel vragen die beantwoord moeten worden in de uraniumchemie, met name in de context van de splijtstofcyclus, maar wanneer onderzoekers hun vaardigheden en expertise combineren, baanbrekende en significante oplossingen kunnen worden gevonden, " zei Zhang.