Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory och Washington State University gick ihop för att undersöka den komplexa dynamiken hos lågvattenvätskor som utmanar kärnavfallshanteringen på federala saneringsplatser.

Resultaten, med som omslag i Journal of Physical Chemistry B , hjälpa till att belysa den grundläggande kemin i arbetet i äldre tankavfall, vilket är särskilt svårt att bearbeta på grund av närvaron av oförutsägbara lösningar med låg vattenhalt eller "vatten-i-salt".

"Anmärkningsvärt nog, dessa elektrolytlösningar kan bibehålla ett flytande tillstånd vid mycket höga saltkoncentrationer; men som ett resultat, de rör sig inte fritt som vanligt, mer utspädda vätskor, " sa ORNL geokemist Hsiu-Wen Wang, som ledde neutronspridningsforskningen som utfördes i studien.

Vatten-i-saltlösningar kännetecknas av höga viskositeter som kan fluktuera mellan flytande och nästan fasta, glasliknande tillstånd, gör dem svåra att kontrollera. I kärnavfallstankar, dessa kaustiklösningar kan täppa till pumpar och rör, hindrar att de tas bort för bearbetning.

En bättre förståelse för den grundläggande kemin hos denna ovanliga klass av vätskor kan stödja breda tillämpningar för att stabilisera dessa lösningar och informera om saneringsstrategier för äldre tankavfall som samlades under 1940-1980-talen.

DOE:s Hanford-plats i Washington, till exempel, genererade miljarder liter förorenade vätskor under mer än 40 år av sin atomära verksamhet. Sajtens "tankfarmar" är en av de svåraste och mest kostsamma agendapunkterna på DOE:s miljösaneringsprogram.

"Resanering av avfallet kompliceras av de unika kemiska egenskaperna i denna typ av komplex, mycket koncentrerad miljö, med radioaktivitet som skapar ytterligare utmaningar, " sa Andrew Stack på ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper. "Genom att arbeta för att förstå vad som händer på atomnivå i komplexa lösningar, vi kan bättre förutsäga deras egenskaper och deras reaktivitet, och det kan leda till förbättrade strategier för att behandla kärnavfall."

Stöds av IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), ett DOE Energy Frontier Research Center, forskare studerade en icke-radioaktiv syntetisk saltlösning av natriumhydroxid-aluminat (Na+OH–/Al(OH)4–).

Blandningen finns i mer utspädda koncentrationer i Hanfords avfallstankar, tillsammans med flera andra elektrolytlösningar som beter sig på liknande sätt.

I ett glas vatten vid rumstemperatur, vattenmolekyler migrerar på pikosekunder. Dock, i de studerade lösningarna, forskare fann att dessa rörelser var 10 till 100 gånger långsammare, beroende på saltkoncentrationen.

Väsentligen, vattenmolekyler är "fångade" eller omgivna av joner i en komplex soppa av sammankopplade rörelser. "För att en jon ska röra sig, många andra molekyler och joner måste röra sig, vilket gör dynamiken intressant, " sa Wang.

Trots den tröga naturen hos vatten-i-salt-lösningar, sa Stack, "många olika typer av samtidiga rörelser - vissa snabba och andra långsamma - äger rum på atomnivå."

För att förstå dessa snabba och långsamma atomrörelser, forskare vände sig till experimentell kapacitet vid två DOE Office of Science User Facilities, spallationsneutronkällan vid ORNL och Environmental Molecular Sciences Laboratory vid PNNL.

Teamet genomförde kvasi-elastisk neutronspridning (QENS) vid ORNL och kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi vid PNNL. Används tillsammans, QENS- och NMR-spektroskopi kan ge alternativa perspektiv på hur atomer omorienterar och sprids genom en lösning.

"NMR-spektroskopi avslöjar atomernas rörelse under många millisekunder, medan QENS fångar atomrörelse över pikosekunder, sa Trent Graham, som utförde NMR-spektroskopin i studien. "I kombination, dessa två tekniker ger kompletterande data på flera tidsskalor, vilket är avgörande för att förstå jonernas komplexa rörelser i de lösningar vi studerar."

Med BASIS-instrumentet på ORNL, teamet använde neutroner för att samla in unik information som inte kan erhållas med andra tekniker.

"Neutroner är väl lämpade för vattenbaserade systemanalyser, eftersom de ger en gynnsam kontrast för svaga atomer, som väte, inte lätt att se av röntgenstrålar; och QENS är en specifik teknik som involverar användningen av neutroner för att korrelera rumslig och tidsmässig information om atomer, " sa BASIS instrumentforskare Eugene Mamontov.

"Atomer ändrar position när vattnet rör sig, och QENS kan berätta inte bara hastigheten eller hur snabbt hoppen sker utan också på vilket avstånd och hur dessa detaljer motsvarar den kemiska strukturen, sa Mamontov.

Att kombinera dynamik med strukturanalys är ett mål för forskningen. Experimentella data jämfördes med simuleringar av molekylär dynamik utförda vid Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE-användaranläggning på ORNL, i en följestudie om strukturen av Na ⁺ ÅH ^– /Al(OH) ₄ ^- .

Tidskriftsartikeln publiceras som "Coupled Multimodal Dynamics of Hydrogen-Containing Ion Networks in Water-Deficient, Natriumhydroxid-aluminatlösningar."