En una gran pantalla de computadora se muestra un espectro Raman de partículas de óxido de uranio formadas dentro de la cámara de reacción de la mesa de trabajo del equipo. El espectro de óxido de uranio que se muestra es para U3 O8 . Crédito:Julie Russell/LLNL
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y la Universidad de Michigan descubrió que la velocidad de enfriamiento en las reacciones afecta dramáticamente el tipo de moléculas de uranio que se forman.
El trabajo experimental del equipo, realizado durante aproximadamente un año y medio a partir de octubre de 2020, intenta ayudar a comprender qué compuestos de uranio podrían formarse en el medio ambiente después de un evento nuclear. Recientemente se ha detallado en Scientific Reports .
"Uno de nuestros hallazgos más importantes fue aprender que la tasa de enfriamiento afecta el comportamiento del uranio", dijo Mark Burton, autor principal del artículo y químico en la División de Ciencias de Materiales del laboratorio. "El panorama general aquí es que queremos comprender la química del uranio en entornos energéticos".
En sus experimentos, los investigadores del LLNL y Michigan descubrieron que la tasa de enfriamiento, así como la cantidad de oxígeno, afectan drásticamente la forma en que el uranio se combina con el oxígeno.
Los experimentos recientes mostraron que a medida que el uranio se enfría a partir de un plasma a unos 10 000 grados Celsius en microsegundos (millonésimas de segundo), la química es drásticamente diferente en comparación con el enfriamiento en milisegundos (milésimas de segundo).
Experimentos anteriores de LLNL en 2020, dirigidos por el ingeniero mecánico Batikan Koroglu, proporcionaron la primera evidencia experimental del fenómeno de que la cantidad de oxígeno que se combina con el uranio puede afectar las moléculas de uranio que se forman. Esos hallazgos se corroboraron en los experimentos recientes de LLNL-Michigan.
El trabajo más reciente, realizado bajo una iniciativa estratégica de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD), busca comprender el efecto del entorno local en la física y la química de las explosiones nucleares, particularmente para ayudar en los esfuerzos de modelado computacional.
"Las estructuras electrónicas de los actínidos, como el uranio y el plutonio, son extremadamente complejas y difíciles de modelar computacionalmente", dijo Kim Knight, coautora del estudio y líder de la iniciativa estratégica LDRD.
"Experimentos como este pueden proporcionar datos y conocimientos sobre el comportamiento generalizado de estos actínidos, algo que ayuda a nuestro modelado computacional".
El uranio y el oxígeno pueden combinarse para formar cientos de moléculas diferentes, según la concentración de oxígeno y las velocidades de enfriamiento; cada una de estas especies puede tener comportamientos químicos diferentes y distintos.
"Cuando el uranio entra en contacto con el oxígeno, formará diferentes moléculas. La velocidad de enfriamiento también afecta el tipo de moléculas que se forman. Nos preocupamos por las moléculas específicas que se forman como resultado", explicó Burton.
Esta cámara de reacción de sobremesa de 6 x 6 pulgadas ha sido desarrollada por los científicos del LLNL Mark Burton, Jonathan Crowhurst y David Weisz para estudiar la química de los metales ablacionados con láser. Las partículas se forman a medida que el plasma de ablación láser se enfría, lo que permite al equipo recolectar las partículas en un sustrato transparente infrarrojo. Luego se utilizan diagnósticos in situ para estudiar qué partículas de óxido de uranio se han formado. Crédito:Julie Russell/LLNL
Para sus experimentos, el equipo usó una cámara de reacción de sobremesa de 6 x 6 pulgadas que fue desarrollada por tres de los investigadores del grupo:Burton, Jonathan Crowhurst y David Weisz.
Dispararon un pulso láser de 50 milijulios para extirpar parte de un objetivo de metal de uranio de un centímetro cuadrado, usando espectroscopia infrarroja in situ para el diagnóstico.
"El desarrollo de un experimento tan pequeño, bien controlado y reproducible permite a nuestros científicos trabajar con cantidades extra pequeñas de uranio. Este enfoque de laboratorio único e innovador proporciona datos de muy alta calidad para la ciencia que estamos tratando de hacer, ", dijo Crowhurst, que es físico.
Diferentes propiedades del uranio han afectado las interpretaciones de los investigadores de los eventos históricos y podrían influir en su capacidad para comprender eventos futuros.
"Estos experimentos mejoran nuestra comprensión de las reacciones químicas en fase gaseosa entre el uranio y el oxígeno a medida que se enfrían los plasmas calientes, lo que puede informar modelos de explosiones nucleares para refinar nuestras capacidades predictivas de formación y transporte de partículas", dijo Knight.
"El destino del uranio en el medio ambiente es importante para predecir el impacto de eventos como armas nucleares o accidentes nucleares en diferentes entornos. Una de las aplicaciones es ayudar en la interpretación de eventos para la ciencia forense nuclear", agregó. Experimento mejora predicciones de dispersión de uranio
