"Todavía quedan muchas preguntas por responder en la química del uranio, particularmente en el contexto del ciclo del combustible nuclear; pero cuando los investigadores combinan sus habilidades y experiencia, se pueden encontrar soluciones pioneras y significativas, "dijo el Dr. Zhaoming Zhang, Investigador científico principal, Ciclo del combustible nuclear, ANSTO.

La considerable experiencia de ANSTO en la caracterización de compuestos que contienen uranio ha contribuido a una nueva investigación sistemática de los orígenes de las distorsiones estructurales atómicas en una familia de compuestos actínidos.

Estos compuestos se conocen como óxidos de uranio ternarios (de tres partes) de metales mixtos relacionados con el rutilo. El rutilo se refiere a compuestos minerales compuestos principalmente por dióxido de titanio.

En una investigación publicada en Química Inorgánica , un gran equipo de investigadores utilizó radiación de neutrones y sincrotrón y cálculos teóricos para establecer estructuras cristalinas y estados de oxidación del uranio sistemáticamente precisos y precisos en los sistemas ternarios de óxido de uranio de metales mixtos relacionados con el rutilo.

"Estos compuestos son relevantes para el combustible nuclear gastado, pero la investigación también es importante para la ciencia de los minerales de uranio, Dado que algunos de los óxidos de uranio ternarios se han encontrado en la naturaleza, "dijo Zhang, el autor principal de ANSTO.

El uranio y los compuestos de uranio de metales mixtos tienen una química única y compleja, así como la radiactividad, que requiere un manejo especial.

Es importante comprender la variación en el comportamiento atómico y la estructura cristalina, ya que están íntimamente relacionados con las propiedades del material. en particular los relacionados con el combustible nuclear gastado.

"Según estudios anteriores, la estructura cristalina de todos los óxidos de uranio ternarios de metales mixtos, AUO4, está dictado predominantemente por el tamaño relativo de los iones A y U. Sin embargo, hay alguna contención en el grupo espacial correcto, que describe la simetría en la estructura cristalina, a un óxido de uranio ternario de metales mixtos relacionados con el rutilo (β-CdUO4), lo que inicialmente nos motivó a iniciar la investigación actual, "explicó el Dr. Zhang.

Y aunque las investigaciones de algunos de estos materiales se remontan al Proyecto Manhattan, Los avances modernos en las técnicas de caracterización nos han permitido abordar las lagunas en el conocimiento de su complejo comportamiento químico.

Esta investigación se inició durante el Ph.D. obra del primer autor, Dr. Gabriel Murphy, ahora en el Instituto de Gestión de Residuos Nucleares y Seguridad de Reactores, Forschungszentrum Jülich, Alemania, quien fue supervisado por Zhang en ANSTO y el profesor Brendan Kennedy en la Universidad de Sydney.

El doctorado de Murphy. La tesis exploró y esclareció la química de la materia condensada del uranio en algunos óxidos de uranio ternarios de metales mixtos y desentrañó algunas propiedades notables, p.ej., identificación de la transformación de ordenación de defectos de oxígeno reversible y reducción de simetría con calentamiento en α-SrUO4-x.

Los investigadores del estudio actual utilizaron una combinación de difracción de rayos X y neutrones de alta resolución, Espectroscopía de absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES), y cálculos teóricos para comprender las distorsiones estructurales que se producen en los óxidos de uranio ternario de metales mixtos relacionados con el rutilo, AUO ₄ .

Se descubrió que las distorsiones se manifiestan en la inclinación de las unidades poliédricas AO6 en la estructura, como resultado de la discrepancia de tamaño entre los cationes A y U. La evolución del ángulo de inclinación también se puede utilizar para predecir transformaciones de fase entre diferentes grupos espaciales.

"Aunque la inclinación poliédrica se ha informado anteriormente en otros óxidos metálicos mixtos, es la primera aplicación del fenómeno a los óxidos de uranio metálicos mixtos, "dijo Zhang.

Los investigadores también destacaron de manera importante los desafíos y limitaciones asociados con la aplicación de códigos computacionales estándar de uranio a los óxidos de uranio de metales mixtos. Dichos códigos son cruciales, por ejemplo, en la predicción de las relaciones estructura-propiedad en el combustible nuclear o en productos de óxido de uranio de metales mixtos de revestimientos de combustible, donde estos son a menudo demasiado difíciles de estudiar utilizando métodos experimentales.

En consecuencia, los investigadores proporcionan un enfoque correctivo para esto y para ayudar a orientar los estudios futuros de materiales de óxido de uranio de metal mezclado.

Este trabajo fue el resultado de una colaboración a largo plazo entre científicos australianos y alemanes, que incluía a los doctores Max Avdeev, Eugenia Kuo y Daniel Gregg de ANSTO.

Los autores agradecieron al Dr. Chris Griffith de la unidad de negocios de Minerales de ANSTO por su apoyo con el manejo de materiales radiactivos que posibilitó aún más este trabajo.

"Todavía quedan muchas preguntas por responder en la química del uranio, especialmente en el contexto del ciclo del combustible nuclear, pero cuando los investigadores combinan sus habilidades y experiencia, se pueden encontrar soluciones pioneras y significativas, "dijo Zhang.