Ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, Il Pacific Northwest National Laboratory e la Washington State University hanno collaborato per indagare sulle complesse dinamiche dei liquidi a basso contenuto di acqua che sfidano il trattamento delle scorie nucleari nei siti di bonifica federali.

I risultati, descritto come una copertina nel Journal of Physical Chemistry B , aiutare a far luce sulla chimica fondamentale all'opera nei rifiuti dei serbatoi legacy, che è particolarmente difficile da elaborare a causa della presenza di soluzioni imprevedibili a basso contenuto di acqua o "acqua in sale".

"Sorprendentemente, queste soluzioni elettrolitiche sono in grado di mantenere lo stato liquido a concentrazioni di sale molto elevate; ma di conseguenza, non si muovono liberamente come di consueto, liquidi più diluiti, " ha detto il geochimico dell'ORNL Hsiu-Wen Wang, che ha guidato la ricerca sulla diffusione dei neutroni eseguita nello studio.

Le soluzioni acqua in sale sono caratterizzate da viscosità elevate che possono oscillare tra liquido e quasi solido, stati simili al vetro, rendendoli difficili da controllare. Nei serbatoi di scorie nucleari, queste soluzioni caustiche possono intasare pompe e tubazioni, ostacolare la loro rimozione per l'elaborazione.

Una migliore comprensione della chimica fondamentale di questa insolita classe di liquidi potrebbe supportare ampie applicazioni per stabilizzare queste soluzioni e informare le strategie di pulizia per i rifiuti dei serbatoi legacy accumulati negli anni '40-1980.

Sito Hanford del DOE a Washington, Per esempio, ha generato miliardi di galloni di liquidi contaminati durante più di 40 anni di attività dell'era atomica. Le "fattorie cisterna" del sito sono uno degli argomenti all'ordine del giorno più difficili e costosi del programma di pulizia ambientale del DOE.

"La bonifica dei rifiuti è complicata dalle proprietà chimiche uniche in questo tipo di complesso, ambiente altamente concentrato, con la radioattività che crea ulteriori sfide, " ha affermato Andrew Stack della divisione di scienze chimiche dell'ORNL. "Lavorando per capire cosa sta succedendo a livello atomico nelle soluzioni complesse, possiamo prevedere meglio le loro proprietà e la loro reattività, e questo potrebbe portare a strategie migliori per trattare le scorie nucleari".

Supportato da IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), un DOE Energy Frontier Research Center, i ricercatori hanno studiato una salamoia sintetica non radioattiva di sodio-idrossido-alluminato (Na+OH–/Al(OH)4–).

La miscela è presente in concentrazioni più diluite nei serbatoi di scarico di Hanford, insieme a diverse altre soluzioni elettrolitiche che si comportano in modo simile.

In un bicchiere d'acqua a temperatura ambiente, le molecole d'acqua migrano in picosecondi. Però, nelle soluzioni studiate, i ricercatori hanno scoperto che questi movimenti sono da 10 a 100 volte più lenti, a seconda della concentrazione di sale.

Essenzialmente, le molecole d'acqua sono "intrappolate" o circondate da ioni in un complesso brodo di movimenti interconnessi. "Perché uno ione si muova, molte altre molecole e ioni devono muoversi, che rende interessante la dinamica, " ha detto Wang.

Nonostante la natura lenta delle soluzioni acqua in sale, ha detto Pila, "molti diversi tipi di movimenti simultanei, alcuni veloci e altri lenti, stanno avvenendo a livello atomico".

Per comprendere questi moti atomici veloci e lenti, i ricercatori si sono rivolti alle capacità sperimentali presso due strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE, la Spallation Neutron Source dell'ORNL e il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali del PNNL.

Il team ha condotto lo scattering di neutroni quasi elastico (QENS) presso l'ORNL e la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) presso il PNNL. Usato insieme, La spettroscopia QENS e NMR può fornire prospettive alternative sul modo in cui gli atomi si riorientano e si diffondono in una soluzione.

"La spettroscopia NMR rivela il movimento degli atomi in molti millisecondi, mentre QENS cattura il movimento atomico in picosecondi, " ha detto Trent Graham, che ha eseguito la spettroscopia NMR nello studio. "In combinazione, queste due tecniche forniscono dati complementari su più scale temporali, che è fondamentale per comprendere i complessi moti degli ioni nelle soluzioni che stiamo studiando."

Con lo strumento BASIS all'ORNL, il team ha utilizzato i neutroni per raccogliere informazioni uniche non ottenibili con altre tecniche.

"I neutroni sono adatti per l'analisi dei sistemi a base d'acqua, poiché forniscono un contrasto favorevole per gli atomi deboli, come l'idrogeno, non facilmente visibile dai raggi X; e QENS è una tecnica specifica che prevede l'uso di neutroni per correlare le informazioni spaziali e temporali sugli atomi, ", ha affermato lo scienziato dello strumento BASIS Eugene Mamontov.

"Gli atomi cambiano posizione mentre l'acqua si muove, e QENS possono dirti non solo la velocità o la velocità con cui si verificano i salti, ma anche a quale distanza e come questi dettagli corrispondono alla struttura chimica, " disse Mamontov.

La combinazione della dinamica con l'analisi strutturale è un obiettivo della ricerca. I dati sperimentali sono stati confrontati con simulazioni di dinamica molecolare eseguite presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, una struttura per gli utenti DOE presso l'ORNL, in uno studio complementare sulla struttura di Na ⁺ OH ^– /Al(OH) ₄ ^- .

L'articolo della rivista è pubblicato come "Coupled Multimodal Dynamics of Hydrogen-Containing Ion Networks in Water-Deficient, Soluzioni di idrossido di sodio-alluminato."