Erforschung, wie Uran unter extremen Bedingungen einen alternativen Weg einschlägt

Unter normalen Bedingungen wirken radioaktive Materialien wie Uran auf vorhersagbare Weise.

Aber nehmen Sie dieselben Materialien und setzen Sie sie extremen Bedingungen mit hohen Temperaturen in kurzer Zeit und einem schnellen Abkühlungsprozess aus, und ihre Zersetzungswege ändern sich dramatisch.

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben ein einzigartiges Verfahren entwickelt, um radioaktive Verbindungen (auf Uranbasis) zu synthetisieren, die extrem luft- und wasserempfindlich sind und spezielle Techniken erfordern. Das Team war dann in der Lage, das Verhalten dieser Verbindungen unter extremen Bedingungen mit einer speziell angefertigten Laserkammer zu charakterisieren, die radioaktives Material handhaben kann.

Diese Arbeit untersuchte neue Reaktionswege für die thermische Zersetzung, da die Reaktionsgeschwindigkeiten so schnell und so weit von Gleichgewichtsprozessen entfernt sind. Die Forschung erscheint auf dem Cover von Anorganische Chemie.

Bisher hatten Wissenschaftler kein gutes Verständnis für die Chemie, die mit der thermischen Zersetzung reaktiver Koordinationsverbindungen unter extremen Bedingungen verbunden ist.

Der Prozess könnte mit dem Einfüllen von Wasser in eine Bratpfanne gleichgesetzt werden. Wenn Sie Wasser allmählich erhitzen, verhält es sich schön und kocht langsam. Lässt man jedoch Wasser auf eine heiße Bratpfanne fallen (analog zum Laser), ist die Reaktion ganz anders und Wasser verdampft sofort.

„Das Wissen kann möglicherweise auf die Materialherstellung, die Verwaltung von Lagerbeständen oder sogar die Konsolidierung, Verarbeitung oder Lagerung von Abfällen angewendet werden“, sagte die LLNL-Radiochemikerin Maryline Kerlin (Ferrier), Erstautorin des Artikels. „Wir könnten uns vorstellen, eine metallhaltige Verbindung in einer stabilen Konfiguration zu speichern und sie dann unter Lasern zu einem neuen Produkt umzusetzen.“

Die Untersuchung von metallhaltigen Verbindungen, die organische Liganden enthalten, wird üblicherweise in Lösung unter milden Bedingungen durchgeführt, da diese Verbindungen als äußerst empfindlich gegenüber Luft, Wasser und Temperatur bekannt sind. Im Allgemeinen besteht die Arbeit mit diesen Verbindungen aus einem sehr akademischen Ansatz, um ihre Struktur, elektronische Struktur, chemische Reaktivität, Eigenschaften usw. zu bestimmen. Daher mag es unkonventionell erscheinen, diese Verbindungen aggressiv zu erhitzen.

Aber das Team wollte verstehen, ob es möglich ist, reguläre Arten von Reaktionen und Zersetzungswegen zu umgehen.

„Wir wollten sehen, ob es durch die Verwendung extremer Umgebungen möglich ist, neue Wege zu schaffen, um die Vorläuferverbindung in eine andere interessierende Verbindung wie Uranmetall oder Urankarbide umzuwandeln“, sagte Kerlin. „Frühere Arbeiten wurden in der Vergangenheit mit lasergesteuerter Chemie durchgeführt, aber dies ist das erste Mal, dass der verwendete Vorläufer eine auf Uran basierende Verbindung ist, die organische Liganden enthält (dh luft- und wasserempfindlich ist).“

Diese Ergebnisse sind wichtig, weil sie zeigten, dass sich der Vorläufer nicht wie erwartet verhielt. Die thermische Zersetzung mit einem Laser erzeugt tatsächlich unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten und -wege. Das Team erhielt nicht wie erwartet Uranmetall, aber die thermisch zersetzten umgebenden Liganden ermöglichten die Bildung von Carbid- und Oxycarbidphasen im Endprodukt. Das Verständnis der Uranchemie ist wichtig für die Verwaltung von Lagerbeständen und die Abfallverarbeitung.

„Neue Methoden und Wege zur Herstellung wünschenswerter Keramiken und Metalle sind für andere Metalle als Uran relevant, und dieses Wissen kann mit den häufiger verwendeten Übergangsmetallverbindungen verglichen werden“, sagte Kerlin. „Das Endziel (dh die Herstellung von Uranmetall oder -keramik) hat den Beginn dieser Forschung vorangetrieben, aber der Prozess gilt für Materialien, die wir in unserem täglichen Leben verwenden.“