Les chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge ont utilisé le supercalculateur le plus rapide du pays pour cartographier les vibrations moléculaires d’un composé d’uranium important mais peu étudié produit pendant le cycle du combustible nucléaire pour des résultats qui pourraient conduire à un monde plus propre et plus sûr.
L’étude menée par des chercheurs de l’ORNL, du Savannah River National Laboratory et de la Colorado School of Mines a utilisé des simulations menées sur le supercalculateur Summit de l’ORNL et des expériences de spectroscopie de neutrons de pointe menées à la Spallation Neutron Source pour identifier les principales caractéristiques spectrales de l’hydrate de tétrafluorure d’uranium. , ou UFH, un sous-produit peu étudié du cycle du combustible nucléaire. Les résultats pourraient permettre une meilleure détection de ce polluant environnemental et une meilleure compréhension de la manière dont les conditions environnementales influencent le comportement chimique des matériaux du cycle du combustible.
« Dans ce type de travail, nous n’avons pas le luxe de choisir les types de matériaux avec lesquels nous travaillons », a déclaré Andrew Miskowiec, physicien de l’ORNL et auteur principal de l’étude, publiée dans Le Journal de chimie physique C. « Nous avons souvent affaire à de petites quantités ou même à des particules de sous-produits et de matériaux dégradés que personne n’avait l’intention de fabriquer à partir de composés dont nous ne savons pas grand-chose. Nous devons savoir : si nous avons trouvé ce matériau sur le terrain, comment le reconnaîtrions-nous ? »
L’UFH se forme lorsque le tétrafluorure d’uranium, un sel radioactif couramment utilisé dans la production d’uranium métal, commence à se décomposer après une immersion dans l’eau pendant 12 heures ou plus. Même si les scientifiques ont étudié l’uranium et son pouvoir de diviser l’atome pendant près d’un siècle, la plupart de ces études se sont concentrées sur des résultats intentionnels plutôt que sur des sous-produits involontaires comme l’UFH.
« De la Seconde Guerre mondiale à la guerre froide, nous avons des décennies d’études, mais la principale préoccupation était de faire fonctionner les choses du point de vue de la production, comme la construction de bombes et l’alimentation de réacteurs », a déclaré Miskowiec. « L’UFH n’était pas considérée comme utile à ces fins. Cela signifie qu’elle n’a pas été étudiée d’aussi près et qu’elle n’est pas aussi bien comprise. Nous devons en savoir autant que possible sur ces matériaux afin de savoir ce qu’il faut rechercher quand on les découvre à l’état sauvage. »
Chacune des diverses formes moléculaires de l’uranium subit un ensemble unique de vibrations, créées par le mouvement dynamique de ses atomes, qui peuvent agir comme une signature si les scientifiques savent ce qu’il faut rechercher. L’équipe de recherche a utilisé VISION, le spectromètre de diffusion inélastique de neutrons à la plus haute résolution au monde au SNS, pour bombarder des échantillons avec des neutrons, surveiller l’énergie perdue ou gagnée et capturer toute la gamme des vibrations de l’UFH.
« Pour d’autres techniques de caractérisation courantes, nous aurions dû dissoudre ou détruire l’échantillon pour l’étudier », a déclaré Ashley Shields, chimiste informatique de l’ORNL et co-auteur de l’étude. « Si nous n’avons pas un gros échantillon pour commencer, nous ne voulons certainement pas le détruire avant d’extraire autant d’informations que possible. La spectroscopie nous donne un moyen de collecter des données et de conserver l’échantillon pour une analyse plus approfondie. »
Les méthodes de diffusion conventionnelles reposent sur des photons ou des électrons, qui interagissent avec l’enveloppe externe d’un atome et ne capturent qu’une partie limitée de la large gamme de vibrations entre les atomes dans un composé d’uranium. Ce n’est pas un problème pour les neutrons, qui pénètrent jusqu’au noyau d’un atome.
« Les neutrons sont sensibles à tous les atomes de la structure du composé, nous obtenons donc tout le spectre vibratoire », a déclaré Miskowiec. « Ces instruments extraordinaires du SNS nous ont fourni une énorme quantité de données, et maintenant nous avions besoin d’un moyen de les interpréter. »
L’équipe a reçu une allocation de temps sur Summit, le système de supercalcul IBM AC922 de 200 pétaflops de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, via le Leadership Computing Challenge de l’Advanced Scientific Computing Research du département américain de l’Énergie. Ils ont utilisé la théorie de la fonctionnelle de la densité, une approche de mécanique quantique pour estimer la structure des matériaux, pour modéliser les propriétés de l’UFH.
La combinaison des détails capturés par VISION et l’interprétation des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité à grande échelle et très précis rendus possibles par Summit ont donné la première image complète du spectre vibratoire complet de l’UFH pour de nouvelles informations sur la structure atomique du composé.
« Ce sont des structures extrêmement grandes et complexes avec beaucoup d’atomes vibrant constamment dans toutes les directions avec très peu de symétrie », a déclaré Shields. « Chaque rupture de symétrie nécessite plus de calculs, ce qui augmente le temps de calcul nécessaire pour déterminer les propriétés vibratoires. Ces calculs nous permettent de visualiser de quels types de vibrations il s’agit, à quoi ressemble le mouvement, à quels atomes participent et provoquent chaque vibration, et à quelle fréquence. »
L’équipe a utilisé les données pour comparer le spectre vibratoire calculé au spectre expérimental mesuré au SNS, permettant une identification au niveau atomique des caractéristiques spectrales dans les données expérimentales. L’étude a nécessité plus de 115 000 heures de nœud pour rendre les résultats.
« Sans Summit, ces calculs n’auraient pas pu être effectués », a déclaré Shields. « Il y a une diversité de mouvements qui se produisent dans la structure atomique que nous pouvons démêler par calcul que nous ne pouvons tout simplement pas capturer d’une autre manière. »
Les études futures s’appuieront sur les résultats pour explorer la stabilité de l’UFH.
« Nous avons maintenant une meilleure capacité à identifier ce matériau sur le terrain, et les résultats seront fondamentaux pour comprendre d’autres aspects environnementaux du cycle du combustible », a déclaré Miskowiec.
Andrew Miskowiec et al, Spectres de neutrons inélastiques de l’hydrate de tétrafluorure d’uranium, UF4(H2O)2.5, Le Journal de chimie physique C (2021). DOI : 10.1021/acs.jpcc.1c05747