Hvad en krystal afslører om behandling af nukleare materialer

Mens man studerede gamle forurenede jordprøver fra Plutonium Finishing Plants affaldskrybbe på Hanford Site (Richland, WA), Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) forskere lokaliserede og ekstraherede små krystaller indeholdende plutonium. Hvordan, de undrede sig, var krystallerne dannet?

For at forstå krystallernes historie, Forskerne skal først forstå deres kemiske struktur, også kendt som artsdannelse. Fordi plutonium kan virke meget forskelligt afhængigt af hvordan det kombineres med andre grundstoffer, at kende krystallernes art er en kritisk del af sikker opbevaring og miljøsanering. Disse aktiviteter er vigtige dele af det amerikanske energiministeriums oprydningsmission på tidligere nukleart materialebehandlingsanlæg og -faciliteter. Tidligere undersøgelser viste, at disse partikler primært var plutoniumdioxid, men spørgsmål forblev om, hvorvidt andre arter af plutonium var til stede i jorden.

PNNL-forskere skabte en ny metode til at bestemme mikrokrystallernes arter, detaljeret i Journal of Applied Crystallography . Kombination af ekspertteknikker med standard laboratorieinstrumenter, metoden kortlægger strukturen af ​​disse plutonium-mikrokrystaller ét atom ad gangen og afslører strukturen af ​​nogle af de mindste plutonium-holdige krystaller, der nogensinde er analyseret i et laboratorium.

Mindre end en gnist i sand

De små plutoniumkrystaller, næsten ikke skelnes fra siliciumstumper og andre mineraler omkring dem, blev identificeret i krybbejordprøverne af PNNL radiokemiker Dallas Reilly ved hjælp af et fokuseret ionstråle scanning elektronmikroskop. Nogle gange terningformet, krystallerne kan være så små som to mikrometer på hver side, eller facet. Et gran bordsalt er omkring hundrede mikrometer pr. facet. En partikel af talkum er ti mikron.

"Jeg var overrasket over, at partiklerne var krystallinske i den størrelse, " sagde Reilly. "Det meste af det plutonium, jeg har set fra krybbepladserne i Hanford, er fra oparbejdet Plutonium Finishing Plant-affald, enten uopløste partikler fra metalforarbejdning eller brænding, eller genudfældet fra recirkuleringsopløsningen som polykrystallinske partikler. Det er svært at danne krystallinske plutoniumoxidpartikler i laboratoriet, så det er virkelig fascinerende at se enkeltkrystaller dannes som en del af den proces eller en naturlig proces, som miljøet ansporede."

De uventede krystaller gav forskere en mulighed for at besvare spørgsmål, som forskere i forarbejdning af nukleare materialer har undret sig over i årtier. Er speciationen mere eller mindre kompleks i en individuel partikel end i bulk? Er disse krystaller forbundet med elementer som fosfor, der kan have været til stede under behandlingen? Og, hvis plutoniummetalpartikler udsættes for ilt ved høj temperatur, oxiderer det ydre lag af plutonium, mens det indre metal forbliver intakt, meget ligesom rust former på stål?

Forskere mangler et fuldstændigt svar på disse spørgsmål for en stor del, fordi almindelige nukleare materialeanalyseværktøjer i denne skala er afhængige af opløste prøver. Disse værktøjer fokuserer på forhold mellem isotoper og er ude af stand til at levere strukturelle data, såsom atomernes relative positioner, og hvordan de er bundet sammen.

Udvidelse af laboratoriegrænserne for analyse af nukleare materialer

PNNL uorganisk kemiker Jordan Corbey er ekspert i enkeltkrystal røntgendiffraktion (SCXRD), en af ​​de eneste ikke-destruktive teknikker, der kan bestemme en krystals kemiske struktur. Krystaller er lavet af atomer med regelmæssig afstand, så når røntgenstråler passerer gennem krystallen, lysspredning i regelmæssige mønstre.

Corbey analyserer disse mønstre for at måle afstanden mellem atomer, skabe et 3-D kort over de gentagne enheder i krystalgitteret. Kortet er detaljeret nok til at det kan skelne mellem forskellige kemiske arter, der udgør det udvidede faste stof.

At plukke en plutoniumpartikel ud af en jordprøve er en vanskelig opgave, ikke kun i betragtning af hvor radioaktive disse krystaller er, men også hvor små. For yderligere at komplicere sagen, forskerne søgte specifikt efter ren, uafhængige krystaller i blandingen af ​​mange andre forbindelser til stede i krybbejorden.

"At analysere mere end én krystal ad gangen sammenkrøller dataene, " sagde Corbey. "Med en god, enkelt krystal, Jeg kan fortælle dig antallet af oxygenatomer bundet til hvert plutoniumatom, og hvordan de deler elektroner."

Men at analysere plutoniumkrystallerne var ikke ligetil. SCXRD kræver typisk krystaller, der er meget større end pletterne af plutonium fra Hanford-stedet. Holdet var i begyndelsen usikker på, om teknikken ville være nyttig til disse små miljøprøver.

Et uran bevis på koncept

Før du forsøger at analysere plutoniumpartiklerne ved hjælp af SCXRD, holdet startede med uran-238-oxidkrystaller, som de formalede til en række mindre terninger via et fokuseret ionstråle-scanningselektronmikroskop. Uran-238 er meget mindre radioaktivt end plutonium og har færre mulige strukturelle arrangementer.

Holdet undersøgte systematisk hver urankrystals struktur for at bevise, at de nøjagtigt kunne kortlægge atomerne i gradvist mindre krystaller. Begyndende med en bulk urankrystal med facetter på størrelse med en negl, de gik ned til en plet uranoxid, der ikke var større end den gennemsnitlige røde blodlegeme.

Med vellykket proof of concept fra deres uranium tests, holdet brugte SCXRD til definitivt at identificere krystallerne i deres krybbejordprøve som plutoniumdioxid. Denne bekræftelse kan hjælpe udbedringseksperter på Hanford i deres bestræbelser på sikkert at indeholde ældre plutoniumaffald, inklusive krystallerne.

"Denne type arbejde handler om at etablere en tidslinje, " sagde Reilly. "Med nukleare materialer som disse partikler, vi spørger 'hvordan kom den hertil?' at forstå forarbejdningshistorikken for nationale sikkerhedsmæssige konsekvenser, samt 'hvor skal det hen?' at forstå miljømæssige konsekvenser. At finde ud af den kemiske speciering og struktur kan hjælpe med at besvare begge spørgsmål. "

Universiteter og andre forskningsfaciliteter med lavere radiologiske grænser end PNNLs faciliteter kunne bruge holdets metode til at studere en lang række radioaktive materialer, inklusive tungere grundstoffer som americium, som kun kan håndteres i uoverkommeligt små mængder.

Da krystallerne studeret af Corbey og Reilly kun udgør en lille del af den analyserede krybbejord, der er stadig mere arbejde at gøre. Som Corbey udtrykte det, "Vi ønsker at bestemme, hvor repræsentativ en plet er for andre partikler i prøven."

Forskellige krystalstrukturer er forbundet med forskellige nukleare materialebehandlingsaktiviteter. Formen af ​​en krystal kunne afsløre noget om den beholder, den blev dannet i, hvordan det var blandet, eller hvad der ellers var til stede, da det blev skabt. Hver ny krystal, der kortlægges, er endnu et skridt fremad i søgen efter bedre at forstå både behandling af nukleare materialer og forbedre miljøsanering.

Prøverne er fra 216-Z-9 affaldskrybbe på Hanford Site og blev indsamlet under udgravning og minedrift i midten af ​​1970'erne. Denne krybbe modtog affald fra Plutonium Finishing Plant, også kendt som Z-anlæg og bygning 234-5.