מוצג פרוטוקול לייצור זכוכית נמסה גרעינית סינתטית, בדומה לטריניטיט.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מוצג פרוטוקול לייצור זכוכית נמסה גרעינית סינתטית, בדומה לטריניטיט.
יש צורך בפסולת גרעינית חלופית מציאותית בקהילת הזיהוי הפלילי הגרעיני כדי לבחון ולאמת טכניקות ניתוח לאחר פיצוץ. כאן אנו מתארים תהליך חדשני לייצור פסולת משטח בתפזורת באמצעות תנור בטמפרטורה גבוהה. החומר שפותח במחקר זה דומה פיזית וכימית לטריניטיט (הזכוכית המותכת שהופקה בניסוי הגרעיני הראשון). ההנחה היא שזכוכית גרעינית סינתטית זו דומה לחומר המזוגג המיוצר ליד מוקד הרעש (גראונד זירו) של כל פיצוץ גרעיני על פני השטח בסביבה מדברית. ניתן ליישם את התהליך המתואר כאן לייצור סוגים אחרים של זכוכית נמסה גרעינית, כולל זו שעשויה להיווצר בסביבה עירונית. ניתן להשיג זאת פשוט על ידי שינוי מטריצת המבשר שעליה מיושם תהליך ייצור זה. הזכוכית המומסת המיוצרת במחקר זה נותחה והושוותה לטריניטיט, וחשפה מורפולוגיה גבישית דומה, מבנה פיזי, שבר ריק והרכב כימי.
חששות לגבי שימוש זדוני פוטנציאלי בנשק גרעיני על ידי טרוריסטים או מדינות סוררות הדגישו את החשיבות של ניתוח פורנזי גרעיני לצורך ייחוס. 1 טכניקות ניתוח מהירות לאחר הפיצוץ רצויות כדי לקצר את ציר הזמן של הייחוס ככל האפשר. פיתוח ואימות של טכניקות כאלה דורש דגימות פסולת גרעינית מציאותיות לבדיקה. ניסויים גרעיניים אינם מתרחשים עוד בארצות הברית ופסולת גרעינית מעידן הניסויים אינה זמינה (למעט טריניטיט - הזכוכית המותכת שהופקה על ידי הניסוי הגרעיני הראשון באתר השילוש) ולכן יש צורך בפסולת חלופית מציאותית.
המטרה העיקרית של השיטה המתוארת כאן היא ייצור פסולת גרעינית חלופית ריאליסטית הדומה לטריניטיט. דגימות זכוכית נמסות גרעיניות סינתטיות הזמינות לקהילה האקדמית יכולות לשמש לבדיקת טכניקות ניתוח קיימות ולפיתוח שיטות חדשות כגון תרמו-כרומטוגרפיה לניתוח מהיר לאחר הפיצוץ. 2 מתוך מחשבה על מטרה זו, המחקר הנוכחי מתמקד בהפקת דגימות המחקות טריניטיט אך אינן מכילות מידע רגיש על תכנון כלי נשק. רכיבי הדלק והחבלה בדגימות אלה הם גנריים לחלוטין וההשוואה לטריניטיט מבוססת על כימיה, מורפולוגיה ומאפיינים פיזיקליים. הדמיון בין טריניטיט לזכוכית הגרעינית הסינתטית המיוצרת במחקר זה נדון בעבר. 3
מטרת מאמר זה היא לתאר את הפרטים של תהליך הייצור המשמש באוניברסיטת טנסי (UT). תהליך ייצור זה פותח תוך התחשבות בשני פרמטרים מרכזיים: 1) הרכב החומר המשולב בזכוכית נמסה גרעינית, ו-2) טמפרטורת ההיתוך של החומר. קיימות שיטות להערכת טמפרטורת ההיתוך של רשתות יוצרות זכוכית4 וטכניקות אלה שימשו כאן, יחד עם ניסויים נוספים לקביעת טמפרטורת העיבוד האופטימלית עבור מטריצת הטריניטיט. 5
שיטות חלופיות לייצור פסולת חלופית פורסמו לאחרונה. לשימוש בלייזרים בעלי הספק גבוה יש יתרון ביצירת טמפרטורות גבוהות מספיק כדי לגרום לפיצול יסודות בתוך מטריצת המטרה. 6 מצעים כרומטוגרפיים נקבוביים שימשו לייצור חלקיקים קטנים הדומים לחלקיקי נשורת באמצעות שיטות פאזה מעובה7. השיטה האחרונה שימושית ביותר לייצור פסולת חלקיקים (נשורת גרעינית) והוכחה עם מתכות טבעיות. היתרונות של השיטה המוצגת כאן הם 1) פשטות, 2) יכולת שחזור ו-3) מדרגיות (גדלי המדגם יכולים לנוע בין חרוזים זעירים לגושים גדולים של זכוכית מותכת). כמו כן, שיטה זו ניתנת להרחבה הן מבחינת תפוקת הייצור והן מבחינת מגוון תרחישי הנפץ המכוסים, והיא כבר הודגמה באמצעות חומרים רדיואקטיביים. דגימה הופעלה בהצלחה בכור איזוטופים בשטף גבוה (HFIR) במעבדה הלאומית אוק רידג' (ORNL). תרכובות אורניום טבעיות נוספו למטריצה לפני ההיתוך ותוצרי ביקוע הופקו באתרם על ידי קרינת נויטרונים.
שיטות בתעשיית ייצור הזכוכית ואלה המופעלות לצורך קיבוע פסולת רדיואקטיבית8 נבדקו בפיתוח השיטה המוצגת כאן. ההשפעות הייחודיות של קרינה במשקפיים הן בעלות עניין אינהרנטי9 ויהוו תחום מחקר חשוב ככל ששיטה זו תמשיך להתפתח.
השיטה המתוארת להלן מתאימה לכל יישום שבו רצויה דגימת זכוכית נמסה בתפזורת. דגימות אלה דומות ביותר לחומר שנמצא ליד מוקד הפיצוץ הגרעיני. ניתן לייצר דגימות בגדלים שונים, עם זאת, שיטות המשתמשות בלפידי פלזמה או לייזרים יהיו שימושיות יותר להדמיית פסולת חלקיקים עדינים. כמו כן, HTFs מסחריים אינם מגיעים לטמפרטורות גבוהות מספיק כדי לגרום לפיצול יסודות עבור מגוון רחב של אלמנטים. יש להשתמש בשיטה זו כאשר למאפיינים פיזיים ומורפולוגיים יש חשיבות עליונה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
זהירות: התהליך המתואר כאן כולל את השימוש בחומר רדיואקטיבי (למשל, אורניום חנקתי Hexahydrate) וכמה חומרים מאכלים. יש להשתמש בבגדי מגן מתאימים וציוד (כוללים חלוק מעבדה, כפפות, משקפים מגן, ומנדף) במהלך הכנת מדגם. בנוסף, אזורי מעבדה המשמשים לעבודה זו צריכים להיות במעקב באופן קבוע לזיהום רדיואקטיבי.
הערה:. התרכובות הכימיות הדרושות מפורטות בטבלה 1 ניסוח זו פותח על ידי בחינה בעבר דיווח נתונים הלחנה לtrinitite 10 השברים ההמוניים דיווחו כאן נקבעו על ידי חישוב ממוצע השברים ההמוניים לכמה דגימות trinitite שונות 10 המסה "החסרה".. (השברים לא לסכם לאחדות) קיים כדי לאפשר גמישות מסוימת בעת הוספת דלק, טמפר, ומרכיבים אחרים. הניתוח העצמאי שלנו של כמה דגימות trinitite מצביע על כך שקוורץ הוא שלב המינרלים רקלשרוד בtrinitite. 5 לכן, קוורץ הוא המינרל רק כלול בתקן Trinitite גיבוש שלנו (STF). למרות דגנים שריד של מינרלים אחרים דווחו בtrinitite, 11 אלה נוטים להיות יוצאים מן הכלל, ולא הכלל. באופן כללי, קוורץ הוא המינרל היחיד שנמצא בזכוכית להמיס. 10,12 כמו כן, חול קוורץ הוא מרכיב נפוץ של אספלט ובטון שיהיה חשוב בהיווצרות של זכוכית להמיס גרעינית עירונית.
-4| נתונים Trinitite ממוצע | סטנדרטי Trinitite גיבוש (STF) | ||
| תִרכּוֹבֶת | בר המוני | תִרכּוֹבֶת | בר המוני |
| SiO 2 | 6.42x10 -1 | SiO 2 | 6.42x10 -1 |
| אל 2 O 3 | 1.43x10 -1 | אל 2 O 3 | 1.43x10 -1 |
| קאו | 9.64x10 -2 | קאו | 9.64x10 -2 |
| FeO | 1.97x10 -2 | 1.97x10 -2 | |
| MgO | 1.15x10 -2 | MgO | 1.15x10 -2 |
| Na 2 O | 1.25x10 -2 | Na 2 O | 1.25x10 -2 |
| K 2 O | 5.13x10 -2 | KOH | 6.12x10 -2 |
| MNO | 5.05x10 -4 | MNO | |
| Tio 2 | 4.27x10 -3 | Tio 2 | 4.27x10 -3 |
| סה"כ | 9.81x10 -1 | סה"כ | 9.91x10 -1 |
טבלת 1. רשימה של תרכובות כימיות.
1. הכנת STF
הערה: הציוד הדרוש כולל microbalance, מריות מתכת, מכתש ועלי קרמיקה, מנדף כימי, כפפות לטקס, חלוק מעבדה, והגנה על העין.
2. ייצור של 1 גרם לדוגמא ממיסים זכוכית
הערה: הציוד הדרוש כולל HTF מדורג ב 1600 מעלות צלזיוס או, כורי היתוך גבוהים טוהר גבוה גרפיט, מלקחי כור היתוך נירוסטה ארוכים, כפפות עמידות בחום, והגנה על העין. כפפות עמידות בחום והגנה על העין צריכים להיות משוחק בעת השקה או הסרת דגימות מהתנור. משקפי בטיחות כהות (או משקפיים שמש) הם שימושיים כפי שהם להפחית את הבוהק מהתנור.
הפעלת 3. דוגמא
הערה: המשוואות הבאות נגזרו הנחה על השימוש בנשק כיתה מתכת אורניום (מועשרת). הכמויות של UNH או תחמוצת אורניום יצטרכו להיות מדורגות על פי החלק ההמוני של אורניום אלמנטרי, והרמה של 235 העשרת U.




הערה: יש לנקוט בזהירות רבה בהתמודדות עם פלוטוניום וניתוח נוסף יידרש. נכון לכתיבת שורות אלה, רק אורניום נעשה שימוש בדגימות הזכוכית סינתטיות להמיס מיוצרים ב UT והמוקרן בHFIR.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדגימות שאינן רדיואקטיביים מיוצרות במחקר זה כבר לעומת trinitite ואיורים 1-3 מראים כי הנכסים ומורפולוגיה הפיזיים הם אכן דומים. איור 1 מספק תמונות החושפות את הדמיון בצבע ובמרקם שהם נצפו ברמת מקרוסקופית. איור 2 מראה תמונות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM) משני אלקטרונים (SE) שחושפות תכונות דומות ברמת מיקרון. ניתוח SEM בוצע באמצעות תוכנת SEM וSEM. חללים רבים הם נצפו בשני trinitite ודגימות סינתטיות. הפגמים וההטרוגניות הם דומים בשני גם כן....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
שמדומה כמות UNH המדויקת משתנות בהתאם לתרחיש: הערה לגבי צעדים 1.2.2 ו1.2.3. נוסחות התכנון שפותחו על ידי ואח Giminaro אל. ניתן להשתמש כדי לבחור את המסה המתאימה של אורניום למדגם נתון 13 כפי שפורט בסעיף "הפעלה לדוגמא" של מאמר זה. כמו כן, תחמוצת אורניום (UO 2 או U 3 O 8) ניתן להשתמש במקום של UNH, אם זמין, והחלק ההמוני של 235 U במתחם (אם UNH או תחמוצת אורניום) יש לקחת בחשבון. לניסויים שנדונו כאן UNH היה מ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
עבודה זו בוצעה תחת מענק מספר DE-NA0001983 מתוכנית הבריתות האקדמיות המדעיות (SSAA) של המינהל הלאומי לביטחון גרעיני (NNSA).
חלקים ממחקר זה פורסמו בעבר בכתב העת לכימיה רדיואנליטית וגרעינית. 3,13 פטנט ממתין לשיטה זו.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תנור בטמפרטורה גבוהה (HTF) | קרבוליט | HTF 18 | 1,800 & # 176; C HTF משמש להמסת דגימות |
| תנור טיפה בטמפרטורה גבוהה | CM Inc. | 1706 BL | 1,700 ° תנור טיפה C המשמש להמסת דגימות |
| כוריות גרפיט | SCP Science | 040-060-041 | 27 מ"ל כוריות היתוך גרפיט בטוהר גבוה (10 חבילות) |
| מלקחיים כור היתוך | Grainger | 5ZPV0 | 26 אינץ', מלקחיים מפלדת אל חלד לטיפול בכוריות |
| כפפות עמידות בחום | Grainger | 8814-09 | כפפות המשמשות להגנה על הידיים מפני חום במהלך הקדמה/הסרת דגימה |
| מרגמה & עלי | פישרברנד | S337631 | 300 מ"ל, טיט קרמי ועלי לאבקה וערבוב |
| מיקרו | איזון Grainger | 8NJG2 | 220 גרם כובע, סולם דיוק גבוה למדידת מסת אבקה |
| מרית | פישרברנד | 14374 | מרית מתכת למדידת כמויות קטנות של אבקה |
| SiO2 | Sigma-Aldrich | 274739-5KG | חול קוורץ מספר CAS: 14808-60-7 |
| Al2O3 | Sigma-Aldrich | 11028-1KG | אבקת תחמוצת אלומיניום מספר CAS: 1344-28-1 |
| CaO | Sigma-Aldrich | 12047-2.5KG | אבקת תחמוצת סידן מספר CAS: 1305-78-8 |
| FeO | Sigma-Aldrich | 400866-25G | אבקת תחמוצת ברזל מספר CAS: 1345-25-1 |
| MgO | Sigma-Aldrich | 342793-250G | אבקת תחמוצת מגנזיום מספר CAS: 1309-48-4 |
| Na2O | Sigma-Aldrich | 36712-25G | אבקת תחמוצת נתרן מספר CAS: 1313-59-3 |
| KOH | Sigma-Aldrich | 278904-250G | כדורי פוטזיום הידרוקסיד מספר CAS: 12030-88-5 |
| MnO | Sigma-Aldrich | 377201-500G | אבקת תחמוצת מנגן מספר CAS: 1344-43-0 |
| TiO2 | Sigma-Aldrich | 791326-5G | חרוזי תחמוצת טיטניום מספר CAS: 12188-41-9 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.