Su un grande schermo di computer è mostrato uno spettro Raman di particolato di ossido di uranio formato all'interno della camera di reazione da banco del team. Lo spettro dell'ossido di uranio mostrato è per U3 O8 . Credito:Julie Russell/LLNL
Un team di ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università del Michigan ha scoperto che la velocità di raffreddamento nelle reazioni influisce notevolmente sul tipo di molecole di uranio che si formano.
Il lavoro sperimentale del team, condotto per circa un anno e mezzo a partire da ottobre 2020, tenta di aiutare a capire quali composti di uranio potrebbero formarsi nell'ambiente dopo un evento nucleare. Di recente è stato dettagliato in Rapporti scientifici .
"Una delle nostre scoperte più importanti è stata l'apprendimento che la velocità di raffreddamento influisce sul comportamento dell'uranio", ha affermato Mark Burton, autore principale dell'articolo e chimico della divisione di scienza dei materiali del laboratorio. "Il quadro generale qui è che vogliamo capire la chimica dell'uranio in ambienti energetici."
Nei loro esperimenti, i ricercatori dell'LLNL e del Michigan hanno scoperto che la velocità di raffreddamento, così come la quantità di ossigeno, influenza notevolmente il modo in cui l'uranio si combina con l'ossigeno.
I recenti esperimenti hanno mostrato che quando l'uranio si raffredda da un plasma a circa 10.000 gradi Celsius in microsecondi (milionesimi di secondo), la chimica è drasticamente diversa rispetto al raffreddamento nell'arco di millisecondi (millesimi di secondo).
I primi esperimenti LLNL nel 2020, guidati dall'ingegnere meccanico Batikan Koroglu, hanno fornito la prima prova sperimentale dei fenomeni che la quantità di ossigeno che si combina con l'uranio può influenzare le molecole di uranio che si formano. Questi risultati sono stati confermati nei recenti esperimenti LLNL-Michigan.
Il lavoro più recente, svolto nell'ambito di un'iniziativa strategica di ricerca e sviluppo dirette da laboratori (LDRD), cerca di comprendere l'effetto dell'ambiente locale sulla fisica e la chimica delle esplosioni nucleari, in particolare per aiutare gli sforzi di modellazione computazionale.
"Le strutture elettroniche degli attinidi, come l'uranio e il plutonio, sono estremamente complesse e difficili da modellare computazionalmente", ha affermato Kim Knight, coautore dello studio e leader dell'iniziativa strategica LDRD.
"Esperimenti come questo possono fornire dati e informazioni sul comportamento generalizzato di questi attinidi, qualcosa che aiuta la nostra modellazione computazionale."
L'uranio e l'ossigeno possono combinarsi per formare centinaia di molecole diverse, a seconda della concentrazione di ossigeno e della velocità di raffreddamento; ciascuna di queste specie può avere comportamenti chimici diversi e distinti.
"Quando l'uranio entra in contatto con l'ossigeno, formerà molecole diverse. La velocità di raffreddamento influisce anche sul tipo di molecole che si formano. Ci preoccupiamo di quali molecole specifiche si formano di conseguenza", ha spiegato Burton.
Questa camera di reazione da banco da 6 pollici per 6 pollici è stata sviluppata dagli scienziati dell'LLNL Mark Burton, Jonathan Crowhurst e David Weisz per studiare la chimica dei metalli sottoposti a ablazione laser. Le particelle si formano quando il plasma di ablazione laser si raffredda, consentendo al team di raccogliere le particelle su un substrato trasparente a infrarossi. La diagnostica in situ viene quindi utilizzata per studiare quali particelle di ossido di uranio si sono formate. Credito:Julie Russell/LLNL
Per i loro esperimenti, il team ha utilizzato una camera di reazione da banco di 6 pollici per 6 pollici che è stata sviluppata da tre dei ricercatori del gruppo:Burton, Jonathan Crowhurst e David Weisz.
Hanno sparato un impulso laser da 50 millijoule per ablare parte di un bersaglio metallico di uranio di un centimetro quadrato, utilizzando la spettroscopia a infrarossi in situ per la diagnostica.
"Lo sviluppo di un esperimento così piccolo, ben controllato e riproducibile consente ai nostri scienziati di lavorare con quantità estremamente piccole di uranio. Questo approccio da banco unico e innovativo fornisce dati di altissima qualità per la scienza che stiamo cercando di fare, " ha detto Crowhurst, che è un fisico.
Diverse proprietà dell'uranio hanno influenzato le interpretazioni degli eventi storici da parte dei ricercatori e potrebbero influenzare la loro capacità di comprendere gli eventi futuri.
"Questi esperimenti migliorano la nostra comprensione delle reazioni chimiche in fase gassosa tra uranio e ossigeno quando i plasmi caldi si raffreddano, il che può informare i modelli di esplosioni nucleari per perfezionare le nostre capacità predicative di formazione e trasporto di particelle", ha affermato Knight.
"Il destino dell'uranio nell'ambiente è importante per prevedere l'impatto di eventi come armi nucleari o incidenti nucleari in ambienti diversi. Una delle applicazioni è quella di aiutare nell'interpretazione degli eventi per la scientifica nucleare", ha aggiunto. + Esplora ulteriormente
