Fokus på atomaffaldskemi kunne hjælpe føderale udfordringer på oprydningsstedet

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory og Washington State University gik sammen om at undersøge den komplekse dynamik af lavvandsvæsker, der udfordrer behandling af atomaffald på føderale oprydningssteder.

Resultaterne, med som cover i Journal of Physical Chemistry B , hjælpe med at kaste lys over den grundlæggende kemi i arbejdet i ældre tankaffald, som er særligt vanskelig at behandle på grund af tilstedeværelsen af ​​uforudsigelige lavvande- eller "vand-i-salt"-løsninger.

"Bemærkelsesværdigt, disse elektrolytopløsninger er i stand til at opretholde en flydende tilstand ved meget høje saltkoncentrationer; men som et resultat, de bevæger sig ikke frit som normalt, mere fortyndede væsker, " sagde ORNL geokemiker Hsiu-Wen Wang, der ledede neutronspredningsforskningen udført i undersøgelsen.

Vand-i-salt opløsninger er kendetegnet ved høje viskositeter, der kan svinge mellem flydende og næsten fast stof, glaslignende tilstande, gør dem svære at kontrollere. I atomaffaldstanke, disse kaustiske løsninger kan tilstoppe pumper og rør, hindrer deres fjernelse til behandling.

En bedre forståelse af den grundlæggende kemi i denne usædvanlige klasse af væsker kunne understøtte brede anvendelser til stabilisering af disse løsninger og informere oprydningsstrategier for ældre tankaffald, der blev akkumuleret i løbet af 1940'erne-1980'erne.

DOEs Hanford-sted i Washington, for eksempel, genereret milliarder af gallons af forurenede væsker i løbet af mere end 40 år af sine atomæra-operationer. Stedets "tankfarm" er et af de sværeste og mest omkostningsfulde dagsordenspunkter på DOE's miljøoprydningsprogram.

"Oprydning af affaldet kompliceres af de unikke kemiske egenskaber i denne type kompleks, meget koncentreret miljø, med radioaktivitet, der skaber yderligere udfordringer, " sagde Andrew Stack fra ORNL's Chemical Sciences Division. "Ved at arbejde på at forstå, hvad der sker på atomniveau i komplekse løsninger, vi kan bedre forudsige deres egenskaber og deres reaktivitet, og det kan føre til forbedrede strategier til at behandle nukleart affald."

Understøttet af IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), et DOE Energy Frontier Research Center, forskere undersøgte en ikke-radioaktiv syntetisk saltlage af natriumhydroxid-aluminat (Na+OH–/Al(OH)4–).

Blandingen er til stede i mere fortyndede koncentrationer i Hanfords affaldstanke, sammen med flere andre elektrolytopløsninger, der opfører sig ens.

I et glas vand ved stuetemperatur, vandmolekyler migrerer på picosekunder. Imidlertid, i de undersøgte løsninger, forskere fandt, at disse bevægelser var 10 til 100 gange langsommere, afhængig af saltkoncentrationen.

I det væsentlige, vandmolekyler er "fanget" eller omgivet af ioner i en kompleks suppe af indbyrdes forbundne bevægelser. "For at en ion skal bevæge sig, en masse andre molekyler og ioner skal bevæge sig, hvilket gør dynamikken interessant, " sagde Wang.

På trods af den træge karakter af vand-i-salt-opløsninger, sagde stak, "mange forskellige typer af samtidige bevægelser - nogle hurtige og nogle langsomme - finder sted på atomniveau."

For at forstå disse hurtige og langsomme atombevægelser, forskere henvendte sig til eksperimentelle muligheder på to DOE Office of Science-brugerfaciliteter, Spallation Neutron Source på ORNL og Environmental Molecular Sciences Laboratory ved PNNL.

Holdet udførte kvasi-elastisk neutronspredning (QENS) ved ORNL og nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi ved PNNL. Brugt sammen, QENS- og NMR-spektroskopi kan give alternative perspektiver på den måde, atomer omorienterer og spredes gennem en løsning.

"NMR-spektroskopi afslører atomernes bevægelse over mange millisekunder, mens QENS fanger atombevægelse over picosekunder, " sagde Trent Graham, som udførte NMR-spektroskopien i undersøgelsen. "I kombination, disse to teknikker giver komplementære data på flere tidsskalaer, hvilket er afgørende for at forstå de komplekse bevægelser af ioner i de løsninger, vi studerer."

Med BASIS-instrumentet hos ORNL, holdet brugte neutroner til at indsamle unik information, der ikke kunne opnås ved andre teknikker.

"Neutroner er velegnede til vandbaserede systemanalyse, da de giver en gunstig kontrast for svage atomer, som brint, ikke let ses af røntgenstråler; og QENS er en specifik teknik, der involverer brugen af ​​neutroner til at korrelere rumlig og tidsmæssig information om atomer, " sagde BASIS instrument videnskabsmand Eugene Mamontov.

"Atomer skifter position, når vandet bevæger sig, og QENS kan fortælle dig ikke kun hastigheden eller hvor hurtigt springene sker, men også i hvilken afstand og hvordan disse detaljer svarer til den kemiske struktur, sagde Mamontov.

At kombinere dynamik med strukturel analyse er et mål for forskningen. Eksperimentelle data blev sammenlignet med simuleringer af molekylær dynamik udført på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE-brugerfacilitet hos ORNL, i et ledsagende studie om strukturen af ​​Na ⁺ Åh ^– /Al(OH) ₄ ^- .

Tidsskriftsartiklen er publiceret som "Coupled Multimodal Dynamics of Hydrogen-Containing Ion Networks in Water-Deficient, Natriumhydroxid-aluminatopløsninger."