合成核熔融玻璃的制备

摘要

本文介绍了一种制备合成核熔玻璃（类似于三一石）的实验方案。

摘要

核法证学领域需要逼真的核爆炸残留物替代样品，以测试和验证爆炸后分析技术。本文介绍了一种利用高温炉制备大块表面残留物的新方法。本研究开发的材料在物理和化学性质上与“三位一体”核试验（Trinity test）产生的熔融玻璃——三一石（trinitite）相似。这种合成的核熔融玻璃被认为类似于在沙漠环境中地表核爆炸爆心附近形成的玻璃化物质。本文所述方法也可用于制备其他类型的核熔融玻璃，包括在城市环境中核爆可能形成的熔融物，只需简单调整该制备工艺所用的前驱体基质即可实现。本研究制备的熔融玻璃已进行了分析，并与三一石进行了比较，结果显示两者在晶体形貌、物理结构、孔隙率和化学成分方面具有可比性。

引言

恐怖分子或无赖国家可能恶意使用核武器的担忧，凸显了核法证分析在溯源方面的重要性¹。人们希望采用快速的爆炸后分析技术，以尽可能缩短溯源所需的时间。此类技术的开发与验证需要真实的核碎片样品用于测试。美国目前已不再进行核试验，且试验时期产生的地表核碎片也难以获取（三一试验场首次核试验形成的熔融玻璃“Trinitite”除外），因此需要制备逼真的替代性碎片样品。

本文所述方法的主要目标是制备出类似于三一石（trinitite）的真实替代性核碎片。这种可被学术界便捷获取的合成核熔融玻璃样品，可用于验证现有的分析技术，并开发新的方法（例如热色谱法），以实现爆炸后的快速分析²。基于这一目标，本研究专注于制备在化学成分、形貌和物理特性方面模拟三一石但不包含任何敏感武器设计信息的样品。这些样品中的燃料和包层组分完全为通用设计，与三一石的对比仅基于化学、形态学和物理特征。本研究制备的合成核熔融玻璃与三一石之间的相似性此前已有讨论³。

本文旨在概述田纳西大学（UT）所采用的生产过程的详细信息。该生产过程的开发基于两个关键参数：1）掺入核熔融玻璃中的材料组成；2）材料的熔融温度。目前已有方法可用于估算玻璃形成网络的熔融温度⁴，本文结合这些技术，并通过额外实验，确定了三一石基质的最佳加工温度⁵。

方案

注意：此处所述流程涉及使用放射性物质（例如，硝酸铀酰六水合物）以及多种腐蚀性物质。在样品制备过程中，应使用适当的防护服和设备（包括实验服、手套、眼部防护装置和通风橱）。此外，用于此项工作的实验室区域应定期监测放射性污染情况。

注意：所需化学化合物列于表1中。该配方是通过分析先前报道的三一石（trinitite）成分数据而开发的¹⁰。此处报告的质量分数是通过对多个不同三一石样品的质量分数取平均值得出的¹⁰。“缺失”的质量（即各组分分数之和不等于1）是为了在添加燃料、反射层及其他组分时保留一定的灵活性。我们对多个三一石样品的独立分析表明，石英是三一石中唯一存留的矿物相⁵。因此，在我们的标准三一石配方（STF）中仅包含石英这一种矿物。尽管已有文献报道三一石中存在其他矿物的残余颗粒¹¹，但这些情况往往属于例外而非常态。通常情况下，熔融玻璃中发现的唯一矿物是石英^10,12。此外，石英砂是沥青和混凝土的常见组分，这在城市核熔融玻璃的形成过程中将起到重要作用。

平均Trinitite数据

结果

本研究中制备的非放射性样品已与三一玻璃（trinitite）进行了比较，图1-3 显示其物理性质和形貌确实相似。图1 提供了照片，展示了在宏观尺度上观察到的颜色和纹理的相似性。图2 展示了扫描电子显微镜（SEM）的二次电子（SE）图像，揭示了在微米尺度上的类似特征。SEM分析使用扫描电子显微镜及配套的SEM软件进行。在三一玻璃和合成样品中均观察到大量孔隙，缺陷和非均质性也十分相似。图3 提供了三一玻璃与合成样品的粉末X射线衍射（P-XRD）谱图对比。P-XRD分析使用配备三维探测器的X射线衍射仪对三一玻璃和合成熔融玻璃样品进行。X射线源为铜靶阳极，工作参数设置为40 mA、45 kV。采用1/4° 2θ的狭缝窗口和1/8° 2θ的抗散射衍射光栅。所有样品均使用硅（001）无背景样品台，并以每秒4转的速度旋转。所有谱图的扫描范围均为10° 2θ至100° 2θ。两种样品中仅检测到石英矿物，且峰强度相似，表明其非晶化程度相当³。这些结果与以往关于三一玻璃^{15,16,12,17.......}

讨论

关于步骤 1.2.2 和 1.2.3 的说明：所用 UNH 的确切质量将根据模拟场景的不同而有所变化。可使用 Giminaro et al. 提出的规划公式，选择给定样品中适当的铀质量¹³，具体讨论见本文“"样品活化"”部分。此外，若有条件，可使用二氧化铀（UO₂ 或 U₃O₈）替代 UNH，但必须考虑化合物中 ²³⁵U 的质量分数（无论是 UNH 还是铀氧化物）。在本研究讨论的实验中，UNH 被均匀混合于前驱体基质中。预计熔融过程会影响玻璃中铀及其他元素的分布。定性观察表明，玻璃呈现非均质性。然而，尚未开展辐照后的裂变径迹图谱分析，以全面评估玻璃中铀及裂变产物的分布情况。这将是未来研究的一个潜在方向。

前体粉末基质中仅包含石英，因为它是唯一预计能够经受熔融过程的矿物。^3,10,12 熔融样品中残留石英的量可用于监测并优化炉内的熔融温度和时间⁵。假设一种方法在初始含有石英的样品中能够产生适当的非晶.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
高温炉（HTF）	Carbolite	HTF 18	1,800 °C HTF 用于熔化样品
高温落球炉	CM 公司	1706 BL	1,700 °C型落管炉用于熔化样品
石墨坩埚	SCP Science	040-060-041	27 ml 高纯度石墨坩埚（10 个装）
坩埚钳	格雷格纳	5ZPV0	26 英寸不锈钢坩埚钳
耐热手套	格雷格纳	8814-09	用于在样品放入/取出过程中保护双手免受高温伤害的手套
研钵 &研钵与研杵	Fisherbrand	S337631	300 ml，用于研磨和混合粉末的陶瓷研钵和研杵
微量天平	格雷格纳	8NJG2	220 g 帽盖，用于测量粉末质量的高精度天平
刮刀	Fisherbrand	14374	用于量取少量粉末的金属刮勺
SiO2	Sigma-Aldrich	274739-5KG	石英砂  CAS编号：14808-60-7
Al2O3	Sigma-Aldrich	11028-1KG	氧化铝粉末  CAS编号：1344-28-1
CaO	Sigma-Aldrich	12047-2.5KG	氧化钙粉末  CAS编号：1305-78-8
FeO	Sigma-Aldrich	400866-25G	氧化铁粉末  CAS 号：1345-25-1
MgO	Sigma-Aldrich	342793-250G	氧化镁粉末  CAS编号：1309-48-4
Na2O	Sigma-Aldrich	36712-25G	氧化钠粉末  CAS编号：1313-59-3
KOH	Sigma-Aldrich	278904-250G	氢氧化钾颗粒  CAS编号：12030-88-5
MnO	Sigma-Aldrich	377201-500G	二氧化锰粉末  CAS编号：1344-43-0
TiO2	Sigma-Aldrich	791326-5G	二氧化钛珠  CAS编号：12188-41-9