"Det finns fortfarande många frågor som ska besvaras inom urankemi, särskilt i samband med kärnbränslecykeln; men när forskare kombinerar sina färdigheter och expertis, banbrytande och betydande lösningar kan hittas, "sa Dr Zhaoming Zhang, Huvudforskare, Kärnbränslecykel, ANSTO.

ANSTO:s betydande expertis när det gäller att karakterisera föreningar som innehåller uran har bidragit till en ny systematisk undersökning av ursprunget till atomära strukturförvrängningar i en familj av aktinidföreningar.

Dessa föreningar är kända som rutilrelaterade blandade ternära (tredelade) uranoxider. Rutil avser mineralföreningar som huvudsakligen består av titandioxid.

I forskning publicerad i Oorganisk kemi , ett stort team av forskare använde både neutron- och synkrotronstrålning och teoretiska beräkningar för att upprätta systematiskt exakta och exakta kristallstrukturer och uranoxidationstillstånd i de rutilrelaterade blandade ternära uranoxidsystemen.

"Dessa föreningar är relevanta för använt kärnbränsle, men forskningen är också viktig för uranmineralvetenskap, eftersom några av de ternära uranoxiderna har hittats i naturen, sa Zhang, den ledande ANSTO -författaren.

Uran och blandade metalluranföreningar har en unik och komplex kemi, samt radioaktivitet, som kräver särskild hantering.

Det är viktigt att förstå variationen i atombeteende och kristallstruktur eftersom dessa är nära besläktade med materialegenskaper, särskilt de som är relevanta för använt kärnbränsle.

"Baserat på tidigare studier, kristallstrukturen för alla blandade metalliska ternära uranoxider, AUO4, dikteras övervägande av den relativa storleken på A- och U -jonerna. Dock, det finns en del påståenden i rätt rymdgrupp, som beskriver symmetrin i kristallstrukturen, till en särskild rutilrelaterad blandad ternary uranoxid (β-CdUO4), som initialt motiverade oss att starta den aktuella utredningen, "förklarade Dr Zhang.

Och även om undersökningar av några av dessa material går tillbaka till Manhattan -projektet, moderna framsteg inom karaktäriserande tekniker har gjort det möjligt för oss att ta itu med luckor i kunskapen om deras komplexa kemiska beteende.

Denna undersökning inleddes under doktorsexamen. verk av den första författaren, Dr Gabriel Murphy, nu vid Institute of Nuclear Waste Management and Reactor Safety, Forschungszentrum Jülich, Tyskland, som övervakades av Zhang vid ANSTO och prof Brendan Kennedy vid University of Sydney.

Murphys doktorsexamen avhandlingen undersökte och klargjorde urans kemiska kemi i vissa ternära uranoxider i blandade metaller och avslöjade några anmärkningsvärda egenskaper, t.ex., identifiera den reversibla syrgasdefektordningen och symmetri-sänkande transformation med uppvärmning i α-SrUO4-x.

Utredarna av den aktuella studien använde en kombination av högupplöst röntgen- och neutrondiffraktion, Röntgenabsorption nära kantstruktur (XANES) spektroskopi, och teoretiska beräkningar för att förstå de strukturella snedvridningar som förekommer i de rutilrelaterade blandade ternära uranoxiderna, AUO ₄ .

Det upptäcktes att snedvridningarna manifesteras i lutningen av AO6 -polyhedralenheterna i strukturen, som ett resultat av storleksanpassningen mellan A- och U -katjonerna. Utvecklingen av lutningsvinkeln kan också användas för att förutsäga fasomvandlingar mellan olika rymdgrupper.

"Även om polyhedrallutningen tidigare har rapporterats i andra blandade metalloxider, det är den första tillämpningen av fenomenet på blandade metalluranoxider, sa Zhang.

Utredarna framhöll också viktigt utmaningar och begränsningar som är förknippade med tillämpningen av standardkalkyler för uran till blandade metalluranoxider. Sådana koder är avgörande till exempel vid förutsägelse av förhållanden mellan struktur och egendom i kärnbränsle eller bränslebeklädda blandade metalluranoxidprodukter, där dessa ofta är för svåra att studera med experimentella metoder.

Utredarna ger därför ett korrigerande tillvägagångssätt för detta och för att vägleda framtida studier av blandade metalluranoxidmaterial.

Detta arbete var resultatet av ett långsiktigt samarbete mellan australiensiska och tyska forskare, som inkluderade Dr Max Avdeev, Eugenia Kuo och Daniel Gregg från ANSTO.

Författarna tackade Dr. Chris Griffith från ANSTO:s affärsenhet Mineraler för hans stöd med radioaktivt material som hanterar detta arbete ytterligare.

"Det finns fortfarande många frågor som ska besvaras inom urankemi, särskilt i samband med kärnbränslecykeln, men när forskare kombinerar sina färdigheter och expertis, banbrytande och betydande lösningar kan hittas, sa Zhang.