Bergen. Scheepscontainers. Het oppervlak van Mars.

Soms is het ingewikkeld of onmogelijk om een ​​monster naar een laboratorium te brengen om de samenstelling te testen.

Dit geldt vooral als het gaat om het detecteren van explosies die nucleair materiaal bevatten. Detectie die snel of ter plaatse kan worden uitgevoerd, minimaliseert de blootstelling van mensen tijdens gevaarlijke inzamelingen of laboratoriumanalyses.

Echter, de aard van de nucleaire chemie, in het bijzonder oxidatie, de manier waarop uranium interageert met zuurstof tijdens een nucleaire explosie - is grotendeels onbekend, waardoor er hiaten ontstaan ​​in ons vermogen om nucleaire activiteiten nauwkeurig te identificeren. Een team van onderzoekers onder leiding van PNNL-natuurkundige Sivanandan S. Harilal werkt aan het uitbreiden van ons begrip van uraniumchemie met behulp van een verrassend hulpmiddel:lasers.

De methode, gedetailleerd in een recent artikel in de Journal of Analytical Atomic Spectrometry, laat zien hoe het meten van het licht geproduceerd in plasma's gemaakt van een laser kan worden gebruikt om uraniumoxidatie in nucleaire vuurballen te begrijpen. Dit vermogen geeft een nooit eerder gezien inzicht in de oxidatie van uranium in de gasfase tijdens nucleaire explosies. Deze inzichten vorderen verder in de richting van een betrouwbare, contactloze methode voor detectie op afstand van uraniumelementen en isotopen, met gevolgen voor non-proliferatiewaarborgen, explosiebewaking en verdragsverificatie.

Non-proliferatieplasma's

Een pulserende, bliksemsnelle laser schiet in een vast materiaal en prikkelt de atomen zodat ze verdampen tot een klein, felgekleurde pluim van plasma. De reactie wanneer de atomen in deze superhete plasmapluim springen, zendt licht uit dat onderzoekers kunnen vastleggen en bestuderen met behulp van optische spectroscopie.

Plasma's gemaakt van verschillende elementen bij verschillende temperaturen zenden verschillende golflengten van licht uit, die elk een aparte kleur produceren. Dus, de kleur van plasma in de vlam van een kaars is anders dan het plasma gemaakt in een neonreclame, of de microscopisch kleine plasmapluim die Harilal en zijn team genereren om uranium te bestuderen.

De verschillende kleuren licht die door een plasma worden uitgestraald, zijn hetzelfde, ongeacht hoeveel van een materiaal in een plasma wordt omgezet. Harilal's uraniumlaser geproduceerd plasma (LPP) is gemaakt van zo'n kleine hoeveelheid nucleair materiaal dat de methode als niet-destructief kan worden beschouwd. Toch, de lichtmetingen die onderzoekers van LPP krijgen, zijn vergelijkbaar met de reacties in de vuurbal die wordt geproduceerd tijdens een nucleaire explosie.

"Het is een kwestie van schaal, " zegt Harilal. "De lasers creëren dezelfde vuurbalchemie als bij een nucleaire explosie, zodat we de chemie kunnen bestuderen en hoe deze reageert op verschillende omgevingscondities. Het is klein, maar het licht is goed. We kunnen het zonder problemen ophalen."

Het licht zien in LPP

Hoewel licht van plasma's gemakkelijk te verzamelen is, het verschil in de golflengten van het licht dat bepaalde moleculen uitzenden is moeilijker te ontcijferen. En uranium is zo reactief met zuurstof in de explosievuurbal dat het veel verschillende uraniumoxidecombinaties creëert. Deze moleculaire combinaties kunnen variëren van één uraniumatoom gecombineerd met een enkel zuurstofatoom, aan meerdere uraniumatomen gebonden aan maar liefst acht zuurstofatomen.

Meerdere uraniumsoorten compliceren onmiddellijk hoe spectroscopie eenvoudige lichtverzameling ontcijfert. Deze uraniumsoorten zenden licht uit in zo'n strak kleurenspectrum met zulke kleine verschillen in golflengten dat elke golflengte pas begint overeen te komen met zijn respectieve uraniumoxide-overgang.

De onderzoekers zoomden in op het nauwe spectrum van golflengten met behulp van smalbandfilters die het team eerder had ontwikkeld. Deze smalbandfilters werken door het licht te isoleren dat bij specifieke golflengten wordt uitgezonden, zodat alleen de golflengten die bij specifieke soorten horen, worden verzameld en geanalyseerd.

Eén filter mat alleen atomair uranium, en een ander gemeten uraniumoxide in het plasma tijdens de laserpulsen. Het team heeft vervolgens het licht gemeten dat door het plasma wordt uitgestraald terwijl ze de zuurstof in de omgeving verhoogden, kijken om te zien hoe de chemie veranderde in de aanwezigheid van meer zuurstof.

Met behulp van nauwkeurig getimede snapshots van het plasma (fast-gated imaging genoemd), Harilal en zijn team observeerden direct hoe uraniummonoxide en uraniumatomen zich in de loop van de tijd en per locatie door het LPP bewogen. Hierdoor konden ze zien hoe en waar de soorten werden gevormd en hoe ze standhielden terwijl de plasmapluim zich uitbreidde en verdween.

Golflengten voor non-proliferatie

Het team ontdekte dat uraniumoxiden verder van het doelwit worden gevormd, waar lagere temperaturen moleculaire recombinatie bevorderen. Uraniumoxiden vormen zich ook op latere tijdstippen in de levensduur van het plasma. Als er meer zuurstof aanwezig is, de plasma's gaan niet zo lang mee.

Het begrijpen van de evolutie van uraniumatomen tot uraniummonoxide tot hogere oxiden is van cruciaal belang voor voorspellende modellering van explosiegebeurtenissen. nauwkeurig, experimenteel gevalideerde modellen betekenen een effectievere monitoring van nucleaire non-proliferatie en een beter algemeen begrip van de uraniumchemie.

Naast het helpen van onderzoekers om de chemie van uraniumplasma beter te begrijpen, de op laser gebaseerde technieken die in dit werk worden gebruikt, zijn ook in ontwikkeling voor in-field, ook non-proliferatiemonitoring op afstand. Aangezien laserablatie in combinatie met optische emissiespectroscopie licht meet dat wordt uitgezonden door een plasma, gegevensverzameling kan worden gedaan vanuit een veilige, impasse afstand die geen monsterbehandeling vereist. Deze techniek heeft implicaties voor nucleaire forensische en veiligheidscontroles.