Opbygning af viden om ændringer i urankemi

"Der er stadig rigtig mange spørgsmål, der skal besvares inden for urankemi, især i forbindelse med det nukleare brændselskredsløb; men når forskere kombinerer deres færdigheder og ekspertise, banebrydende og betydningsfulde løsninger kan findes, " sagde Dr. Zhaoming Zhang, ledende forsker, Nuklear brændselskredsløb, ANSTO.

ANSTOs betydelige ekspertise i at karakterisere uranholdige forbindelser har bidraget til en ny systematisk undersøgelse af oprindelsen af ​​atomare strukturelle forvrængninger i en familie af aktinidforbindelser.

Disse forbindelser er kendt som rutil-relaterede blandede metal ternære (tredelte) uranoxider. Rutil refererer til mineralske forbindelser, der primært består af titaniumdioxid.

I forskning offentliggjort i Uorganisk kemi , et stort team af forskere brugte både neutron- og synkrotronstråling og teoretiske beregninger til at etablere systematisk præcise og nøjagtige krystalstrukturer og uranoxidationstilstande i de rutil-relaterede blandede metal ternære uranoxidsystemer.

"Disse forbindelser er relevante for brugt nukleart brændsel, men forskningen er også vigtig for uranmineralvidenskaben, da nogle af de ternære uranoxider er blevet fundet i naturen, " sagde Zhang, den ledende ANSTO-forfatter.

Uran og blandede metal-uranforbindelser har en unik og kompleks kemi, samt radioaktivitet, som kræver særlig håndtering.

Det er vigtigt at forstå variationen i atomær adfærd og krystalstruktur, da disse er tæt forbundet med materielle egenskaber, især dem, der er relevante for brugt nukleart brændsel.

"Baseret på tidligere undersøgelser, krystalstrukturen af ​​alle blandede metal ternære uranoxider, AUO4, er overvejende dikteret af den relative størrelse af A- og U-ionerne. Imidlertid, der er noget uenighed i den rigtige rumgruppe, som beskriver symmetrien i krystalstrukturen, til et bestemt rutil-relateret blandet metal ternært uraniumoxid (β-CdUO4), hvilket oprindeligt motiverede os til at starte den nuværende undersøgelse, " forklarede Dr. Zhang.

Og selvom undersøgelser af nogle af disse materialer går tilbage til Manhattan-projektet, moderne fremskridt inden for karakterisering af teknikker har givet os mulighed for at adressere huller i viden om deres komplekse kemiske adfærd.

Denne undersøgelse blev indledt under ph.d. værk af den første forfatter, Dr. Gabriel Murphy, nu på Institute of Nuclear Waste Management and Reactor Safety, Forschungszentrum Jülich, Tyskland, som blev superviseret af Zhang ved ANSTO og prof Brendan Kennedy ved University of Sydney.

Murphys ph.d. afhandlingen udforskede og belyste uranets kondenserede stofs kemi i nogle blandede metal ternære uranoxider og afslørede nogle bemærkelsesværdige egenskaber, f.eks., identifikation af den reversible iltdefekt bestilling og symmetri-sænkende transformation med opvarmning i α-SrUO4-x.

Forskerne i den aktuelle undersøgelse brugte en kombination af højopløsningsrøntgenstråler og neutrondiffraktion, X-ray absorption near edge structure (XANES) spektroskopi, og teoretiske beregninger for at forstå de strukturelle forvrængninger, der forekommer i de rutil-relaterede blandede metal ternære uranoxider, AUO ₄ .

Det blev opdaget, at forvrængningerne manifesterer sig i vipningen af ​​AO6 polyedriske enheder i strukturen, som et resultat af størrelsesmisforholdet mellem A- og U-kationerne. Udviklingen af ​​hældningsvinklen kan også bruges til at forudsige fasetransformationer mellem forskellige rumgrupper.

"Selvom den polyedriske vipning tidligere er blevet rapporteret i andre blandede metaloxider, det er den første anvendelse af fænomenet på blandede metal-uranoxider, " sagde Zhang.

Efterforskerne fremhævede også vigtige udfordringer og begrænsninger forbundet med anvendelsen af ​​standard uranberegningskoder på blandede metaluranoxider. Sådanne koder er afgørende for eksempel i forudsigelsen af ​​struktur-egenskabsforhold i nukleart brændsel eller brændstofbeklædning blandede metal-uranoxidprodukter, hvor disse ofte er for svære at studere ved hjælp af eksperimentelle metoder.

Efterforskerne giver derfor en korrigerende tilgang til dette og for at hjælpe med at guide fremtidige undersøgelser af blandede metal-uranoxidmaterialer.

Dette arbejde var resultatet af et langsigtet samarbejde mellem australske og tyske videnskabsmænd, som omfattede Drs Max Avdeev, Eugenia Kuo og Daniel Gregg fra ANSTO.

Forfatterne takkede Dr. Chris Griffith fra ANSTOs Minerals-forretningsenhed for hans støtte med håndtering af radioaktive materialer, hvilket yderligere muliggjorde dette arbejde.

"Der er stadig rigtig mange spørgsmål, der skal besvares inden for uraniumkemi, især i forbindelse med det nukleare brændselskredsløb, men når forskere kombinerer deres færdigheder og ekspertise, banebrydende og betydningsfulde løsninger kan findes, " sagde Zhang.