Ett team av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och University of Michigan har funnit att nedkylningshastigheten i reaktioner dramatiskt påverkar typen av uranmolekyler som bildas.

Teamets experimentella arbete, som genomfördes under ungefär ett och ett halvt år med start i oktober 2020, försöker hjälpa till att förstå vilka uranföreningar som kan bildas i miljön efter en kärnkraftshändelse. Det har nyligen beskrivits i Scientific Reports .

"En av våra viktigaste upptäckter var att lära oss att nedkylningshastigheten påverkar beteendet hos uran", säger Mark Burton, tidningens huvudförfattare och kemist vid laboratoriets materialvetenskapsavdelning. "Den stora bilden här är att vi vill förstå urankemi i energiska miljöer."

I sina experiment fann forskarna från LLNL och Michigan att kylningshastigheten – såväl som mängden syre – dramatiskt påverkar hur uran kombineras med syre.

De senaste experimenten visade att när uran kyls från ett plasma vid cirka 10 000 grader Celsius på mikrosekunder (miljondelar av en sekund), är kemin drastiskt annorlunda jämfört med kylning under millisekunder (tusendelar av en sekund).

Tidigare LLNL-experiment 2020, ledda av maskiningenjören Batikan Koroglu, gav de första experimentella bevisen för fenomenet att mängden syre som kombineras med uran kan påverka vilka uranmolekyler som bildas. Dessa fynd underbyggdes i de senaste LLNL-Michigan-experimenten.

Det senaste arbetet, utfört under ett strategiskt initiativ för Laboratory Directed Research and Development (LDRD), syftar till att förstå effekten av den lokala miljön på kärnkraftsexplosioners fysik och kemi, särskilt för att underlätta beräkningsmodellering.

"Elektronstrukturerna hos aktinider, såsom uran och plutonium, är extremt komplexa och svåra att modellera beräkningsmässigt", säger Kim Knight, medförfattare till studien och ledare för LDRD:s strategiska initiativ.

"Experiment som detta kan ge data och insikt om det generaliserade beteendet hos dessa aktinider, något som hjälper vår beräkningsmodellering."

Uran och syre kan kombineras för att bilda hundratals olika molekyler, beroende på syrekoncentrationen och kylningshastigheterna; var och en av dessa arter kan ha olika och distinkta kemiska beteenden.

"När uran kommer i kontakt med syre kommer det att bilda olika molekyler. Nedkylningshastigheten påverkar också vilken typ av molekyler som bildas. Vi bryr oss om vilka specifika molekyler som bildas som ett resultat", förklarade Burton.

För sina experiment använde teamet en 6-tums gånger 6-tums bänkreaktionskammare som utvecklades av tre av gruppens forskare:Burton, Jonathan Crowhurst och David Weisz.

De avfyrade en 50 millijoule laserpuls för att avlägsna en del av ett kvadratcentimeter uranmetallmål, med in-situ infraröd spektroskopi för diagnostik.

"Utvecklingen av ett sådant litet fotavtryck, välkontrollerat och reproducerbart experiment gör det möjligt för våra forskare att arbeta med extra små mängder uran. Denna unika, innovativa benchtop-metod ger mycket högkvalitativ data för den vetenskap vi försöker göra, " sa Crowhurst, som är fysiker.

Uranets olika egenskaper har påverkat forskarnas tolkningar av historiska händelser och kan påverka deras förmåga att förstå framtida händelser.

"Dessa experiment förbättrar vår förståelse av kemiska reaktioner i gasfas mellan uran och syre när heta plasma svalnar, vilket kan informera modeller om kärnvapenexplosioner för att förfina våra predikativa kapaciteter för partikelbildning och transport", sa Knight.

"Urans öde i miljön är viktigt för att förutsäga effekterna av händelser som kärnvapen eller kärnkraftsolyckor i olika miljöer. En av tillämpningarna är att hjälpa till med tolkningen av händelser för kärnteknisk kriminalteknik", tillade hon. + Utforska vidare

Experiment förbättrar förutsägelser om uraniumspridning