Mientras estudiaba muestras de suelo contaminado heredado de la cuna de desechos de la planta de acabado de plutonio en el sitio de Hanford (Richland, WASHINGTON), Los investigadores del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) localizaron y extrajeron pequeños cristales que contenían plutonio. Cómo, se preguntaron ¿Se habían formado los cristales?

Para comprender la historia de los cristales, los investigadores primero deben comprender su estructura química, también conocido como especiación. Debido a que el plutonio puede actuar de manera muy diferente dependiendo de cómo se combine con otros elementos, conocer la especiación de los cristales es una parte fundamental del almacenamiento seguro y la remediación ambiental. Estas actividades son partes clave de la misión de limpieza del Departamento de Energía de EE. UU. En antiguos sitios e instalaciones de procesamiento de materiales nucleares. Estudios anteriores demostraron que estas partículas eran principalmente dióxido de plutonio, pero quedaban dudas sobre la presencia de otras especies de plutonio en el suelo.

Los investigadores de PNNL crearon un nuevo método para determinar la especiación de los microcristales, detallado en el Revista de Cristalografía Aplicada . Combinando técnicas expertas con instrumentos de laboratorio estándar, el método mapea la estructura de estos microcristales de plutonio un átomo a la vez, revelando la estructura de algunos de los cristales que contienen plutonio más pequeños jamás analizados en un laboratorio.

Más pequeño que un destello en la arena

Los diminutos cristales de plutonio, casi indistinguible de los trozos de silicio y otros minerales que los rodean, fueron identificados en las muestras de suelo de la cuna por el radioquímico de PNNL Dallas Reilly utilizando un microscopio electrónico de barrido de haz de iones enfocado. A veces en forma de cubo, los cristales pueden ser tan pequeños como dos micrones en cada lado, o faceta. Un grano de sal de mesa tiene alrededor de cien micrones por faceta. Una partícula de talco en polvo tiene diez micrones.

"Me sorprendió que las partículas fueran cristalinas a ese tamaño, ", dijo Reilly." La mayor parte del plutonio que he visto en los sitios de cuna en Hanford proviene de desechos reprocesados ​​de la planta de acabado de plutonio, ya sea partículas no disueltas del procesamiento o quema de metales, o reprecipitado a partir de la solución reciclada como partículas policristalinas. Es difícil formar partículas cristalinas de óxido de plutonio en el laboratorio, por lo que ver la formación de monocristales como parte de ese proceso o algún proceso natural que el entorno estimuló es realmente fascinante ".

Los cristales inesperados dieron a los investigadores la oportunidad de responder preguntas que los científicos del procesamiento de materiales nucleares se han preguntado durante décadas. ¿Es la especiación más o menos compleja en una partícula individual que en la masa? ¿Estos cristales están asociados con elementos como el fósforo que pueden haber estado presentes durante el procesamiento? Y, si las partículas de plutonio metálico se exponen al oxígeno a alta temperatura, ¿Se oxida la capa exterior de plutonio mientras que el metal interior permanece intacto? como se forma el óxido en el acero?

Los investigadores carecen de una respuesta completa a estas preguntas en gran parte porque las herramientas comunes de análisis de materiales nucleares a esta escala se basan en muestras disueltas. Estas herramientas se centran en las proporciones de isótopos y no pueden proporcionar datos estructurales, tales como las posiciones relativas de los átomos y cómo están unidos entre sí.

Ampliación de los límites de laboratorio del análisis de procesamiento de materiales nucleares

El químico inorgánico de PNNL Jordan Corbey es un experto en difracción de rayos X de monocristal (SCXRD), una de las únicas técnicas no destructivas que pueden determinar la estructura química de un cristal. Los cristales están hechos de átomos regularmente espaciados, a medida que los rayos X atraviesan el cristal, la luz se dispersa en patrones regulares.

Corbey analiza estos patrones para medir la distancia entre átomos, creando un mapa tridimensional de las unidades repetidas en la red cristalina. El mapa es lo suficientemente detallado como para distinguir entre las diferentes especies químicas que componen el sólido extendido.

Extraer una partícula de plutonio de una muestra de suelo es una tarea difícil, considerando no solo cuán radiactivos son estos cristales, sino también cuán pequeños son. Para complicar aún más el asunto, los investigadores buscaban específicamente puros, cristales independientes en la mezcla de muchos otros compuestos presentes en el suelo de la cuna.

"Analizar más de un cristal a la vez complica los datos, "dijo Corbey." Con un buen, cristal individual, Puedo decirles el número de átomos de oxígeno unidos a cada átomo de plutonio y cómo comparten electrones ".

Pero analizar los cristales de plutonio no fue sencillo. SCXRD normalmente requiere cristales mucho más grandes que las motas de plutonio del sitio de Hanford. Al principio, el equipo no estaba seguro de si la técnica sería útil para estas pequeñas muestras ambientales.

Una prueba de concepto de uranio

Antes de intentar analizar las partículas de plutonio utilizando SCXRD, El equipo comenzó con cristales de óxido de uranio-238 que molieron en una serie de cubos más pequeños a través de un microscopio electrónico de barrido de haz de iones enfocado. El uranio-238 es mucho menos radiactivo que el plutonio y tiene menos arreglos estructurales posibles.

El equipo examinó sistemáticamente la estructura de cada cristal de uranio para demostrar que podían mapear con precisión los átomos en cristales progresivamente más pequeños. Comenzando con un cristal de uranio a granel con facetas del tamaño de una uña, procedieron hasta una mota de óxido de uranio no mayor que el glóbulo rojo promedio.

Con una prueba de concepto exitosa de sus pruebas de uranio, el equipo usó SCXRD para identificar definitivamente los cristales en la muestra de suelo de su cuna como dióxido de plutonio. Esta confirmación podría ayudar a los expertos en remediación de Hanford en sus esfuerzos por contener de manera segura los desechos de plutonio heredados. incluidos los cristales.

"Este tipo de trabajo consiste en establecer un cronograma, ", dijo Reilly." Con materiales nucleares como estas partículas, preguntamos '¿cómo llegó aquí?' para comprender el historial de procesamiento de las implicaciones de seguridad nacional, así como '¿a dónde va?' para comprender las implicaciones ambientales. Descubrir la estructura y la especiación química puede ayudar a responder ambas preguntas ".

Las universidades y otras instalaciones de investigación con límites radiológicos más bajos que las instalaciones de la PNNL podrían utilizar el método del equipo para estudiar una gran cantidad de materiales radiactivos. incluyendo elementos más pesados ​​como el americio, que solo pueden manipularse en cantidades prohibitivamente pequeñas.

Dado que los cristales estudiados por Corbey y Reilly constituyen solo una pequeña porción del suelo de cuna analizado, todavía queda mucho trabajo por hacer. Como dijo Corbey, "Queremos determinar qué tan representativo es un punto de otras partículas en la muestra".

Las diferentes estructuras cristalinas están asociadas con diferentes actividades de procesamiento de materiales nucleares. La forma de un cristal podría revelar algo sobre el recipiente en el que se formó, cómo se mezcló, o qué más estaba presente cuando se creó. Cada nuevo cristal mapeado es un paso más en la búsqueda para comprender mejor el procesamiento de materiales nucleares y mejorar la remediación ambiental.

Las muestras provienen del depósito de desechos 216-Z-9 en el sitio de Hanford y se recolectaron durante las actividades de excavación y minería a mediados de la década de 1970. Esta cuna recibió desechos de la Planta de Acabado de Plutonio, también conocido como Z-Plant y Building 234-5.