需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用

方法文章

合成核熔融玻璃的制备

9.1K 次观看

⸱

DOI：

10.3791/53473

⸱

2016年1月4日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physics and Nuclear Engineering, United States Military Academy, 2Department of Nuclear Engineering, University of Tennessee, 3Radiochemistry Center of Excellence (RCoE), University of Tennessee, 4Institute for Nuclear Security, University of Tennessee

本文内容

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。

最近已发表了一些替代方法用于替代物残渣的制备。使用高功率激光的优势在于能够产生足够高的温度，从而导致靶材基质内部发生元素分馏。6 多孔层析基质已通过凝聚相方法用于制备类似于沉降颗粒的微小颗粒7后一种方法最适合用于生成颗粒状碎片（核落尘），并已通过天然金属得到验证。本文所介绍方法的优势在于：1）操作简便；2）可重复性好；3）可扩展性强（样品尺寸可从微小珠粒到大块熔融玻璃不等）。此外，该方法在产量输出和所涵盖的爆炸场景多样性方面均具备扩展潜力，且已使用放射性材料完成验证。样品已在橡树岭国家实验室（ORNL）的高通量同位素反应堆（HFIR）中成功活化。在熔融前，将天然铀化合物添加至基质中，并生成了裂变产物。 原位 通过中子辐照。

在开发本文所述方法的过程中，参考了玻璃制造行业以及用于放射性废物固化8的方法。玻璃中辐射的独特效应本身具有重要研究价值9，随着该方法的进一步发展，将成为一个重要的研究领域。

以下所述方法适用于需要制备大量熔融玻璃样品的任何应用。这些样品最接近核爆炸震中附近发现的物质。可制备不同尺寸的样品，但对于模拟细颗粒碎片，使用等离子炬或激光的方法将更为有效。此外，商用高温熔融装置（HTF）无法达到足够高的温度，以引起多种元素的元素分馏。当物理和形态学特征为主要关注点时，应采用本方法。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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数据标准Trinitite配方（STF）
化合物质量分数化合物质量分数
SiO26.42x10-1SiO26.42x10-1
Al2O31.43x10-1Al2O31.43x10-1
CaO9.64x10-2CaO9.64x10-2
FeO1.97x10-2FeO1.97x10-2
MgO1.15x10-2MgO1.15x10-2
Na2O1.25x10-2Na2O1.25x10-2
K2O5.13x10-2KOH6.12x10-2
MnO5.05x10-4MnO5.05x10-4
TiO24.27x10-3TiO24.27x10-3
总计9.81x10-1总计9.91x10-1

表1 化合物列表。

1. STF 的制备

注意：所需设备包括微量天平、金属药匙、陶瓷研钵和研杵、化学通风橱、乳胶手套、实验服和护目用具。

  1. 非放射性组分的混合
    1. 获取至少 65 g 石英砂（SiO2）、15 g Al2O3 粉末、10 g CaO 粉末、2 g FeO 粉末、2 g MgO 粉末、2 g Na2O 粉末、7 g KOH 颗粒、1 g MnO 粉末和 1 g TiO2 粉末（化合物列于表 1中）。
    2. 使用微量天平和小药匙，精确称取表 1中列出的每种化合物的质量分数。为获得最佳效果，建议一次性配制 100 g 非放射性前驱体基质。
    3. 使用研钵和研杵将上述化合物研磨成粒径约为 10–20 µm 的颗粒，并充分混合，形成均匀的粉末混合物，其中包含 64.2 g SiO2、14.2 g Al2O3、9.64 g CaO、1.97 g FeO、1.15 g MgO、1.25 g Na2O、6.12 g KOH、0.0505 g MnO 和 0.427 g TiO2。
    4. 在进行下一步操作前，使用球磨机短暂振荡混合物。
  2. STF 与六水合硝酸铀酰（UNH）的混合
    1. 获取至少 1 g UNH。
    2. 在通风橱内，使用研钵和研杵将少量 UNH 晶体研磨成粒径为 1–2 µm 的细粉。
    3. 每克非放射性前驱体基质中加入 33.75 µg UNH（该比例适用于模拟当量为 1 千吨的简单核武器）。13
    4. 使用研钵和研杵将包含 UNH 的粉末混合物充分混合，并在熔融步骤前完成最终混合。

2. 1克熔融玻璃样品的制备

注意：所需设备包括额定温度为 1,600 °C 或更高的高温炉、高纯度石墨坩埚、长柄不锈钢坩埚钳、耐热手套和护目用具。将样品放入或从炉中取出时，应佩戴耐热手套并使用护目用具。佩戴有色安全护目镜（或太阳镜）有助于减少来自炉体的强光反射。

  1. 非放射性样品的制备
    1. 将约 100 g 纯石英砂装入一个厚壁陶瓷皿（如研钵）中，并在室温下放置于待熔融样品的高温炉附近。
    2. 将高温炉预热至 1,500 °C。
    3. 精确称取 1.00 g 非放射性粉末混合物，并将其放入高纯度石墨坩埚中。
    4. 小心地将坩埚放入已加热的高温炉中（使用长柄钢制坩埚钳），熔融混合物 30 分钟。
    5. 取出样品（再次使用坩埚钳），将熔融物倒入装有石英砂的研钵中。
    6. 让玻璃珠冷却 1–2 分钟后再进行操作。
    7. 对玻璃珠进行抛光以去除残留的砂粒（如有必要）。
  2. 放射性样品的制备
    1. 重复上述步骤 2.1.1 和 2.1.2。
    2. 使用独立的刮勺和微量天平，精确称取 1.00 克放射性粉末混合物（包括 UNH），并将其放入高纯度石墨坩埚中，以避免交叉污染。
    3. 重复上述步骤 2.1.4 至 2.1.6。
    4. 监测高温炉周围区域（使用手持式辐射探测器和/或擦拭试验），检查是否存在放射性污染。

3. 样品活化

注意：以下方程的推导基于使用武器级（浓缩）铀金属的假设。若使用硝酸铀酰（UNH）或氧化铀，则需根据元素铀的质量分数以及235U的浓缩程度对用量进行相应换算。

  1. 使用铀燃料活化熔融玻璃样品
    1. 使用以下公式计算样品所需铀金属的质量分数13（其中 mU 表示铀的质量分数，Y 表示武器当量）：
      计算 \(m_u\) 的公式，包含除法表达式；科研，数学概念。
    2. 可选：使用以下公式计算中子反射层（例如，天然铀、铅、钨）的质量分数13：
      计算静力学平衡的公式：m_Tamp = (3.2 × 10^-4) / Y；物理公式。
    3. 使用以下公式计算样品中目标裂变次数13，其中 Ms 表示样品质量（单位为克），Nf 表示辐照期间样品中产生的裂变次数：
      每克熔融玻璃裂变次数的静力学平衡方程；公式表示。
    4. 使用以下公式计算所需辐照时间13，其中 m235 表示 235U 的质量分数（富集度），tirr 为以秒为单位的辐照时间：
      核物理，辐照时间公式，方程分析，科学数据分析。
    5. 在热中子注量率为 4.0 × 1014 n/cm2/s 的条件下对样品进行 tirr 秒的辐照。例如，在HFIR的气动管1（PT-1）中辐照60秒（热中子与共振中子比为35），可在含有870 µg UNH的样品中产生约1.1 × 1011 次裂变（相当于410 µg天然铀，或3.0 µg 235U）。该条件已用于一个0.433 g的玻璃微珠，用于模拟由当量为0.1千吨武器产生的熔融玻璃样品。Cook 等14 已对该样品进行了全面分析。
    6. 辐照后，遵循相应的安全规程处理放射性样品。
  2. 使用钚燃料活化熔融玻璃样品（规划参数）
    1. 使用以下公式计算样品所需钚金属的质量分数13，其中 mPu 表示钚的质量分数，Y 表示武器当量：
      计算 \( m_{pu} \) 的公式，包含变量 \( Y \) 的数学表达式示意图。
    2. 重复上述步骤3.1.2和3.1.3。
    3. 确定在熔融玻璃样品中获得所需裂变次数所需的辐照时间。该时间取决于钚的组成和品位，以及中子能谱。

注意：处理钚时应格外小心，且需要进行额外的分析。截至目前，田纳西大学（UT）制备并在高通量同位素反应堆（HFIR）中辐照的合成熔融玻璃样品仅使用了铀。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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...

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

披露

本工作由美国国家核安全管理局（NNSA）的科学管理学术联盟（SSAA）计划资助，项目编号为 DE-NA0001983。

致谢

本研究的部分内容已发表于《放射分析与核化学杂志》3,13。该方法的专利正在申请中。

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

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）CarboliteHTF 181,800 °C HTF 用于熔化样品
高温落球炉CM 公司1706 BL1,700 °C型落管炉用于熔化样品
石墨坩埚SCP Science040-060-04127 ml 高纯度石墨坩埚（10 个装）
坩埚钳格雷格纳5ZPV026 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FisherbrandS337631300 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8NJG2220 g 帽盖，用于测量粉末质量的高精度天平
刮刀Fisherbrand14374用于量取少量粉末的金属刮勺
SiO2Sigma-Aldrich274739-5KG石英砂  CAS编号：14808-60-7
Al2O3Sigma-Aldrich11028-1KG氧化铝粉末  CAS编号：1344-28-1
CaOSigma-Aldrich12047-2.5KG氧化钙粉末  CAS编号：1305-78-8
FeOSigma-Aldrich400866-25G氧化铁粉末  CAS 号：1345-25-1
MgOSigma-Aldrich342793-250G氧化镁粉末  CAS编号：1309-48-4
Na2OSigma-Aldrich36712-25G氧化钠粉末  CAS编号：1313-59-3
KOHSigma-Aldrich278904-250G氢氧化钾颗粒  CAS编号：12030-88-5
MnOSigma-Aldrich377201-500G二氧化锰粉末  CAS编号：1344-43-0
TiO2Sigma-Aldrich791326-5G二氧化钛珠  CAS编号：12188-41-9

参考文献

  1. Carnesdale, A. Nuclear Forensics: A Capability at Risk (Abbreviated Version). , Committee on Nuclear Forensics, National Research Council of the National Academies. Washington, D.C. (2010).
  2. Garrison, J. R., Hanson, D. E., Hall, H. L. Monte Carlo analysis of thermochromatography as a fast separation method for nuclear forensics. J Radioanal Nucl Chem. 291 (3), 885-894 (2011).
  3. Molgaard, J. J., et al. Development of synthetic nuclear melt glass for forensic analysis. J Radioanal Nucl Chem. 304 (3), 1293-1301 (2015).
  4. Fluegel, A. Modeling of Glass Liquidus Temperatures using Disconnected Peak Functions. ACerS 2007 Glas Opt Mater Div Meet, , (2007).
  5. Oldham, C. J., Molgaard, J. J., Auxier, J. D., Hall, H. L. Comparison of Nuclear Debris Surrogates Using Powder X-Ray Diffraction. Southeastern Undergraduate Research Conference, , (2014).
  6. Liezers, M., Fahey, A. J., Carman, A. J., Eiden, G. C. The formation of trinitite-like surrogate nuclear explosion debris ( SNED ) and extreme thermal fractionation of SRM-612 glass induced by high power CW CO 2 laser irradiation. J Radional Nucl Chem. 304 (2), 705-715 (2015).
  7. Harvey, S. D., et al. Porous chromatographic materials as substrates for preparing synthetic nuclear explosion debris particles. J Radioanal Nucl Chem. 298 (3), 1885-1898 (2013).
  8. Hanni, J. B., et al. Liquidus temperature measurements for modeling oxide glass systems relevant to nuclear waste vitrification. J Mater Res. 20 (12), 3346-3357 (2005).
  9. Weber, W. J., et al. Radiation Effects in Glasses Used for Immobilization of High-Level Waste and Plutonium Disposition. J Mater Res. 12 (8), 1946-1978 (1997).
  10. Eby, N., Hermes, R., Charnley, N., Smoliga, J. A. Trinitite-the atomic rock. Geol Today. 26 (5), 180-185 (2010).
  11. Bellucci, J. J., Simonetti, A. Nuclear forensics: searching for nuclear device debris in trinitite-hosted inclusions. J Radioanal Nucl Chem. 293 (1), 313-319 (2012).
  12. Ross, C. S. Optical Properties of Glass from Alamogordo, New Mexico. , (1948).
  13. Giminaro, A. V., et al. Compositional planning for development of synthetic urban nuclear melt glass. J Radional Nucl Chem. , (2015).
  14. Cook, M. T., Auxier, J. D., Giminaro, A. V., Molgaard, J. J., Knowles, J. R., Hall, H. L. A comparison of gamma spectra from trinitite versus irradiated synthetic nuclear melt glass. J Radioanal Nucl Chem. , (2015).
  15. Fahey, J., Zeissler, C. J., Newbury, D. E., Davis, J., Lindstrom, R. M. Postdetonation nuclear debris for attribution. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (47), 20207-20212 (2010).
  16. Bellucci, J. J., Simonetti, A., Koeman, E. C., Wallace, C., Burns, P. C. A detailed geochemical investigation of post-nuclear detonation trinitite glass at high spatial resolution: Delineating anthropogenic vs. natural components. Chem Geol. 365, 69-86 (2014).
  17. Donohue, P. H., Simonetti, A., Koeman, E. C., Mana, S., Peter, C. Nuclear Forensic Applications Involving High Spatial Resolution Analysis of Trinitite Cross-Sections. J Radioanal Nucl Chem. , (2015).
  18. Eaton, G. F., Smith, D. K. Aged nuclear explosive melt glass: Radiography and scanning electron microscope analyses documenting radionuclide distribution and glass alteration. J Radioanal Nucl Chem. 248 (3), 543-547 (2001).
  19. Kersting, A. B., Smith, D. K. Observations of Nuclear Explosive Melt Glass Textures and Surface Areas. , Lawrence Livermore National Laboratory. (2006).
  20. IAEA Safeguards Glossary. , 2001st ed, IAEA. Vienna, Austria. (2001).
  21. Glasstone, S., Dolan, P. Effects of Nuclear Weapons. , 3rd ed, United States DOD/DOE. (1977).
  22. Carney, K. P., Finck, M. R., McGrath, C. A., Martin, L. R., Lewis, R. R. The development of radioactive glass surrogates for fallout debris. J Radioanal Nucl Chem. 299 (1), 363-372 (2013).
  23. Molgaard, J. J., Auxier, J. D., Hall, H. L. A Comparison of Activation Products in Different Types of Urban Nuclear Melt Glass. American Nuclear Society Annual Meeting, , American Nuclear Society. (2015).

访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。

重印与许可

标签

X
合成核熔融玻璃的制备
联系我们
向图书馆推荐

隐私政策

使用条款

政策

版权所有 © 2026 MyJoVE Corporation。保留所有权利。