Een team van onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de Universiteit van Michigan heeft ontdekt dat de snelheid van afkoeling in reacties een dramatische invloed heeft op het type uraniummoleculen dat zich vormt.

Het experimentele werk van het team, uitgevoerd over ongeveer anderhalf jaar vanaf oktober 2020, probeert te helpen begrijpen welke uraniumverbindingen zich in het milieu kunnen vormen na een nucleaire gebeurtenis. Het is onlangs gedetailleerd beschreven in Wetenschappelijke rapporten .

"Een van onze belangrijkste bevindingen was het leren dat de snelheid van afkoeling het gedrag van uranium beïnvloedt", zegt Mark Burton, de hoofdauteur van het artikel en een chemicus in de Materials Science Division van het Lab. "Het grote plaatje hier is dat we uraniumchemie in energetische omgevingen willen begrijpen."

In hun experimenten ontdekten de LLNL- en Michigan-onderzoekers dat de snelheid van afkoeling, evenals de hoeveelheid zuurstof, een dramatische invloed heeft op hoe uranium zich met zuurstof verbindt.

De recente experimenten toonden aan dat wanneer uranium in microseconden (miljoensten van een seconde) uit een plasma afkoelt bij ongeveer 10.000 graden Celsius, de chemie drastisch anders is in vergelijking met afkoeling gedurende milliseconden (duizendsten van een seconde).

Eerdere LLNL-experimenten in 2020, onder leiding van werktuigbouwkundig ingenieur Batikan Koroglu, leverden het eerste experimentele bewijs voor het fenomeen dat de hoeveelheid zuurstof die wordt gecombineerd met uranium van invloed kan zijn op de vorming van uraniummoleculen. Die bevindingen werden onderbouwd in de recente experimenten van LLNL-Michigan.

Het meest recente werk, uitgevoerd in het kader van een strategisch initiatief van Laboratory Directed Research and Development (LDRD), probeert inzicht te krijgen in het effect van de lokale omgeving op de fysica en chemie van nucleaire explosies, met name om computationele modelleringsinspanningen te ondersteunen.

"De elektronenstructuren van actiniden, zoals uranium en plutonium, zijn extreem complex en moeilijk te modelleren", zegt Kim Knight, een co-auteur van de studie en de leider van het strategische initiatief LDRD.

"Experimenten zoals deze kunnen gegevens en inzicht verschaffen over het algemene gedrag van deze actiniden, iets dat onze computationele modellering helpt."

Uranium en zuurstof kunnen samen honderden verschillende moleculen vormen, afhankelijk van de zuurstofconcentratie en de afkoelsnelheden; elk van deze soorten kan verschillend en verschillend chemisch gedrag vertonen.

"Wanneer uranium in contact komt met zuurstof, zal het verschillende moleculen vormen. De snelheid van afkoeling is ook van invloed op het type moleculen dat zich vormt. We geven om welke specifieke moleculen daardoor worden gevormd", legt Burton uit.

Voor hun experimenten gebruikte het team een ​​6-inch-bij-6-inch benchtop-reactiekamer die is ontwikkeld door drie van de onderzoekers van de groep:Burton, Jonathan Crowhurst en David Weisz.

Ze vuurden een laserpuls van 50 millijoule af om een ​​deel van een uraniummetaaldoel van een vierkante centimeter weg te nemen, met behulp van in-situ infraroodspectroscopie voor diagnostiek.

"De ontwikkeling van zo'n klein, goed gecontroleerd en reproduceerbaar experiment stelt onze wetenschappers in staat om met extra kleine hoeveelheden uranium te werken. Deze unieke, innovatieve benchtop-aanpak levert zeer hoogwaardige gegevens op voor de wetenschap die we proberen te doen, " zei Crowhurst, een natuurkundige.

Verschillende eigenschappen van uranium hebben de interpretaties van historische gebeurtenissen door onderzoekers beïnvloed en kunnen van invloed zijn op hun vermogen om toekomstige gebeurtenissen te begrijpen.

"Deze experimenten verbeteren ons begrip van chemische reacties in de gasfase tussen uranium en zuurstof terwijl hete plasma's afkoelen, wat modellen van nucleaire explosies kan informeren om onze voorspellende mogelijkheden van deeltjesvorming en transport te verfijnen," zei Knight.

"Het lot van uranium in het milieu is belangrijk voor het voorspellen van de impact van gebeurtenissen zoals kernwapens of nucleaire ongevallen in verschillende omgevingen. Een van de toepassingen is om te helpen bij de interpretatie van gebeurtenissen voor nucleair forensisch onderzoek," voegde ze eraan toe. + Verder verkennen

Experiment verbetert voorspellingen van uraniumverspreiding