Ein Forscherteam des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of Michigan hat herausgefunden, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit bei Reaktionen die Art der sich bildenden Uranmoleküle dramatisch beeinflusst.
Die experimentelle Arbeit des Teams, die ab Oktober 2020 über etwa anderthalb Jahre durchgeführt wurde, versucht zu verstehen, welche Uranverbindungen sich nach einem nuklearen Ereignis in der Umwelt bilden könnten. Es wurde kürzlich ausführlich in Wissenschaftliche Berichte.
„Eine unserer wichtigsten Erkenntnisse war die Erkenntnis, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit das Verhalten von Uran beeinflusst“, sagte Mark Burton, Hauptautor der Veröffentlichung und Chemiker in der Materials Science Division des Labors. „Das große Ganze hier ist, dass wir die Uranchemie in energetischen Umgebungen verstehen wollen.“
In ihren Experimenten fanden die Forscher von LLNL und Michigan heraus, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit – ebenso wie die Menge an Sauerstoff – einen dramatischen Einfluss darauf hat, wie sich Uran mit Sauerstoff verbindet.
Die jüngsten Experimente zeigten, dass beim Abkühlen von Uran aus einem Plasma bei etwa 10.000 Grad Celsius in Mikrosekunden (Millionstelsekunden) die Chemie drastisch anders ist als beim Abkühlen über Millisekunden (Tausendstelsekunden).
Frühere LLNL-Experimente im Jahr 2020 unter der Leitung des Maschinenbauingenieurs Batikan Koroglu lieferten den ersten experimentellen Beweis für das Phänomen, dass die Menge an Sauerstoff, die sich mit Uran verbindet, beeinflussen kann, welche Uranmoleküle sich bilden. Diese Ergebnisse wurden in den jüngsten LLNL-Michigan-Experimenten bestätigt.
Die jüngste Arbeit, die im Rahmen einer strategischen Initiative von Laboratory Directed Research and Development (LDRD) durchgeführt wurde, versucht, die Auswirkungen der lokalen Umgebung auf die Physik und Chemie von Nuklearexplosionen zu verstehen, insbesondere um Bemühungen zur Computermodellierung zu unterstützen.
„Die Elektronenstrukturen von Aktiniden wie Uran und Plutonium sind extrem komplex und schwer rechnerisch zu modellieren“, sagte Kim Knight, Co-Autorin der Studie und Leiterin der strategischen Initiative LDRD.
„Experimente wie dieses können Daten und Einblicke in das allgemeine Verhalten dieser Actiniden liefern, etwas, das unsere Computermodellierung unterstützt.“
Uran und Sauerstoff können sich je nach Sauerstoffkonzentration und Abkühlungsgeschwindigkeit zu Hunderten verschiedener Moleküle verbinden; Jede dieser Arten kann unterschiedliche und unterschiedliche chemische Verhaltensweisen aufweisen.
„Wenn Uran mit Sauerstoff in Kontakt kommt, bildet es verschiedene Moleküle. Die Abkühlungsgeschwindigkeit beeinflusst auch die Art der sich bildenden Moleküle. Uns interessiert, welche spezifischen Moleküle dadurch gebildet werden“, erklärte Burton.
Für ihre Experimente verwendete das Team eine 6 x 6 Zoll große Tischreaktionskammer, die von drei Forschern der Gruppe entwickelt wurde: Burton, Jonathan Crowhurst und David Weisz.
Sie feuerten einen 50-Millijoule-Laserpuls ab, um einen Teil eines Quadratzentimeter großen Uranmetallziels abzutragen, wobei sie zur Diagnose In-situ-Infrarotspektroskopie verwendeten.
„Die Entwicklung eines so kleinen, gut kontrollierten und reproduzierbaren Experiments ermöglicht es unseren Wissenschaftlern, mit besonders kleinen Mengen Uran zu arbeiten. Dieser einzigartige, innovative Benchtop-Ansatz liefert sehr hochwertige Daten für die Wissenschaft, die wir zu betreiben versuchen. “, sagte Crowhurst, der Physiker ist.
Verschiedene Eigenschaften von Uran haben die Interpretation historischer Ereignisse durch Forscher beeinflusst und könnten ihre Fähigkeit beeinflussen, zukünftige Ereignisse zu verstehen.
„Diese Experimente verbessern unser Verständnis von chemischen Reaktionen in der Gasphase zwischen Uran und Sauerstoff, wenn heiße Plasmen abkühlen, was Modelle von Kernexplosionen informieren kann, um unsere Vorhersagefähigkeiten für Partikelbildung und -transport zu verfeinern“, sagte Knight.
„Das Schicksal von Uran in der Umwelt ist wichtig, um die Auswirkungen von Ereignissen wie Atomwaffen oder Atomunfällen in verschiedenen Umgebungen vorherzusagen. Eine der Anwendungen besteht darin, bei der Interpretation von Ereignissen für die Nuklearforensik zu helfen“, fügte sie hinzu.
Mark A. Burton et al, Die Wirkung der Sauerstoffkonzentration auf die Speziation von laserablatiertem Uran, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-07834-9