Uran kan föredra att vara i metastabila oxidationstillstånd (dvs. a-UO 3 ) som har högre ångtryck än eldfasta former (d.v.s. UO 2 ) beroende på syrehalten i den omgivande miljön och snabbheten i ångkondensationsprocessen. Kredit:Lawrence Livermore National Laboratory
De prediktiva modellerna som beskriver ödet och transporten av radioaktiva material i atmosfären efter en kärnkraftsincident (explosion eller reaktorolycka) antar att uranhaltiga partiklar skulle uppnå kemisk jämvikt under ångkondensering.
I en ny studie, finansierat av Office of Defense Nuclear Nonproliferation Research and Development (DNN R&D) inom U.S. Department of Energy's National Nuclear Security Administration och US Department of Defense's Defense Threat Reduction Agency (DTRA) Basic Science Grant, forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och University of Illinois i Urbana–Champaign (UIUC) visade att kinetiskt drivna processer i ett system med snabbt sjunkande temperatur kan resultera i betydande avvikelser från kemisk jämvikt. Detta kan få uran att kondensera ut i metastabila oxidationstillstånd som har andra ångtryck än de termodynamiskt gynnade oxiderna, avsevärt påverkar urantransporten.
"Denna nya studie kommer att förbättra vår förmåga att förutsäga urans flerfastransport i kärntekniska incidentscenarier, " sa LLNL-forskaren Batikan Koroglu, huvudförfattare till en artikel som förekommer i Analytisk kemi .
De fysikaliska och kemiska processer som sker under kondenseringen av ett kärnvapenklot uppskattas med hjälp av nedfallsmodeller. Dessa modeller antar i allmänhet att finfördelade grundämnen uppvärmda till extremt höga temperaturer kommer att nå ett tillstånd av kemisk jämvikt när eldklotet svalnar och termodynamiskt gynnade oxider kommer att bildas när temperaturen sjunker under deras kokpunkter. Uranoxid antas kondensera i sin mest stabila form efter kylning under dess koktemperatur.
Dock, kondensationsmönster som observerats i nedfallsprover visar att en del av uranet "hålls uppe" i ångfasen i förhållande till eldfasta aktinider och klyvningsprodukter.
"Detta arbete ger den första, detaljerade experimentella insikter som kan hjälpa till att förklara det långvariga problemet med varför uran kan uppvisa variationer i flyktigt beteende under kärnkraftskondensering av eldklot – det är en stor förstagång, " sa LLNL kärnkraftsforskare Kim Knight, huvudutredare för DNN FoU-insatsen.
Forskargruppen syntetiserade nanopartiklar av uranoxid med hjälp av en plasmaflödesreaktor under kontrollerade temperaturförhållanden, tryck och syrekoncentration. De utvecklade också en laserbaserad diagnostik för att upptäcka uranoxidpartiklar när de bildades inuti flödesreaktorn. Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna samlade direkta experimentella bevis för en förändring i den molekylära sammansättningen av uranoxidkondensat som en funktion av syrekoncentrationen. Enligt forskarna, dessa resultat indikerar att kinetiska modeller krävs för att fullständigt beskriva urantransport efter kärnkraftsincidenter.
"Vårt samarbete med UIUC är en del av ett DTRA Basic Science Project och låter oss modellera data som erhållits från vår plasmaflödesreaktor, som är ett unikt instrument utvecklat här på labbet, " säger LLNL DTRA:s huvudforskare Harry Radousky. De experimentella resultaten jämförs med UIUC:s kinetiska modell som beskriver plasmafasoxidation av uran. Jämförelsen belyser konkurrensen mellan kinetiken för gasfasoxidation av uran och kärnbildning av uranoxidnanopartiklar.