"Ci sono ancora molte domande a cui rispondere nella chimica dell'uranio, in particolare nel contesto del ciclo del combustibile nucleare; ma quando i ricercatori uniscono le loro capacità e competenze, si possono trovare soluzioni pionieristiche e significative, " ha detto il dottor Zhaoming Zhang, Principale ricercatore scientifico, Ciclo del combustibile nucleare, ANSTO.

La notevole esperienza di ANSTO nella caratterizzazione di composti contenenti uranio ha contribuito a una nuova indagine sistematica sulle origini delle distorsioni strutturali atomiche in una famiglia di composti attinidi.

Questi composti sono noti come ossidi di uranio ternario (a tre parti) di metalli misti correlati al rutilo. Il rutilo si riferisce a composti minerali composti principalmente da biossido di titanio.

In una ricerca pubblicata in Chimica inorganica , un grande team di ricercatori ha utilizzato sia la radiazione di neutroni che di sincrotrone e calcoli teorici per stabilire strutture cristalline sistematicamente precise e accurate e stati di ossidazione dell'uranio nei sistemi di ossido di uranio ternario di metalli misti legati al rutilo.

"Questi composti sono rilevanti per il combustibile nucleare esaurito, ma la ricerca è importante anche per la scienza dei minerali dell'uranio, poiché alcuni degli ossidi di uranio ternario sono stati trovati in natura, "disse Zhang, l'autore principale dell'ANSTO.

L'uranio e i composti di uranio metallico misto hanno una chimica unica e complessa, così come la radioattività, che richiede un trattamento speciale.

È importante comprendere la variazione nel comportamento atomico e nella struttura cristallina poiché questi sono intimamente correlati alle proprietà del materiale, in particolare quelli relativi al combustibile nucleare esaurito.

"Sulla base di studi precedenti, la struttura cristallina di tutti gli ossidi di uranio ternario di metalli misti, AUO4, è prevalentemente dettata dalla dimensione relativa degli ioni A e U. Però, c'è qualche contesa nel gruppo spaziale corretto, che descrive la simmetria nella struttura cristallina, a un particolare ossido di uranio ternario metallico correlato al rutilo (β-CdUO4), che inizialmente ci ha motivato ad avviare l'attuale indagine, " ha spiegato il dottor Zhang.

E sebbene le indagini su alcuni di questi materiali risalgano al Progetto Manhattan, i moderni progressi nelle tecniche di caratterizzazione ci hanno permesso di colmare le lacune nella conoscenza del loro complesso comportamento chimico.

Questa indagine è stata avviata durante il dottorato di ricerca. opera del primo autore, Dott. Gabriel Murphy, ora all'Istituto per la gestione dei rifiuti nucleari e la sicurezza dei reattori, Forschungszentrum Jülich, Germania, che è stato supervisionato da Zhang all'ANSTO e dal Prof Brendan Kennedy all'Università di Sydney.

Il dottorato di Murphy la tesi ha esplorato e chiarito la chimica della materia condensata dell'uranio in alcuni ossidi di uranio ternario di metalli misti e ha svelato alcune proprietà notevoli, per esempio., identificare l'ordinamento del difetto reversibile dell'ossigeno e la trasformazione di abbassamento della simmetria con riscaldamento in α-SrUO4-x.

I ricercatori del presente studio hanno utilizzato una combinazione di raggi X ad alta risoluzione e diffrazione di neutroni, Spettroscopia di assorbimento di raggi X vicino alla struttura del bordo (XANES), e calcoli teorici per comprendere le distorsioni strutturali che si verificano negli ossidi di uranio ternario di metalli misti legati al rutilo, AUO ₄ .

Si è scoperto che le distorsioni si manifestano nell'inclinazione delle unità poliedriche AO6 nella struttura, come risultato della mancata corrispondenza delle dimensioni tra i cationi A e U. L'evoluzione dell'angolo di inclinazione può essere utilizzata anche per prevedere le trasformazioni di fase tra diversi gruppi spaziali.

"Sebbene l'inclinazione poliedrica sia stata precedentemente riportata in altri ossidi di metalli misti, è la prima applicazione del fenomeno agli ossidi di uranio metallici misti, " disse Zhang.

I ricercatori hanno anche evidenziato in modo importante le sfide e i limiti associati all'applicazione dei codici computazionali standard dell'uranio agli ossidi di uranio metallici misti. Tali codici sono cruciali, ad esempio, nella previsione delle relazioni struttura-proprietà nel combustibile nucleare o nei prodotti misti di ossido di uranio metallico che rivestono il combustibile, dove questi sono spesso troppo difficili da studiare con metodi sperimentali.

I ricercatori forniscono di conseguenza un approccio correttivo per questo e per aiutare a guidare gli studi futuri sui materiali misti di ossido di uranio metallico.

Questo lavoro è stato il risultato di una collaborazione a lungo termine tra scienziati australiani e tedeschi, che includeva il dottor Max Avdeev, Eugenia Kuo e Daniel Gregg dell'ANSTO.

Gli autori hanno ringraziato il Dr. Chris Griffith della business unit Minerals di ANSTO per il suo supporto con la gestione dei materiali radioattivi che consente ulteriormente questo lavoro.

"Ci sono ancora molte domande a cui rispondere nella chimica dell'uranio, in particolare nel contesto del ciclo del combustibile nucleare, ma quando i ricercatori uniscono le loro capacità e competenze, si possono trovare soluzioni pionieristiche e significative, " disse Zhang.