Er wordt een protocol gepresenteerd voor de productie van synthetisch kernsmeltglas, vergelijkbaar met trinitiet.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Er wordt een protocol gepresenteerd voor de productie van synthetisch kernsmeltglas, vergelijkbaar met trinitiet.
Realistische surrogaat nucleaire debrijs is nodig binnen de nucleaire forensische gemeenschap om analysetechnieken na detonatie te testen en valideren. Hier schetsen we een nieuw proces voor het produceren van bulk oppervlaktedebris met behulp van een hoge temperatuur oven. Het materiaal dat in deze studie is ontwikkeld, is fysiek en chemisch vergelijkbaar met trinitiet (het smeltglas geproduceerd door de eerste nucleaire test). Dit synthetische nucleaire smeltglas wordt verondersteld vergelijkbaar te zijn met het gevitrificeerd materiaal dat geproduceerd wordt in de buurt van het epicentrum (grond nul) van elke oppervlaktenucleaire detonatie in een woestijnomgeving. Het hier geschetste proces kan worden toegepast om andere soorten nucleair smeltglas te produceren, inclusief dat welke waarschijnlijk in een stedelijke omgeving wordt gevormd. Dit kan worden bereikt door simpelweg de voorlopermatrix aan te passen waarop dit productieproces wordt toegepast. Het smeltglas geproduceerd in deze studie is geanalyseerd en vergeleken met trinitiet, waarbij een vergelijkbare kristallijne morfologie, fysieke structuur, holtefractie en chemische samenstelling is onthuld.
Zorgen over het potentiële kwaadaardige gebruik van kernwapens door terroristen of rogue staten hebben de belangrijkheid van nucleaire forensische analyse voor het doel van toewijzing benadrukt.1 Snelle analysetechnieken na detonatie zijn wenselijk om de toewijzingstijdlijn zoveel mogelijk te verkorten. De ontwikkeling en validatie van dergelijke technieken vereist realistische monsters van nucleaire puinhopen voor testen. Kernproeven vinden niet meer plaats in de Verenigde Staten en nucleair oppervlaktepuin uit het testtijdperk is niet gemakkelijk verkrijgbaar (met uitzondering van trinitiet - het smeltglas geproduceerd door de eerste kernproef op de Trinity-site) en daarom is realistisch surrogaatpuin nodig.
Het primaire doel van de hier beschreven methode is de productie van realistisch surrogaat nucleair puin, vergelijkbaar met trinitiet. Synthetische monsters van nucleair smeltglas die gemakkelijk beschikbaar zijn voor de academische gemeenschap kunnen worden gebruikt om bestaande analysetechnieken te testen en om nieuwe methoden zoals thermo-chromatografie voor snelle post-detonatie analyse te ontwikkelen.2 Met dit doel in gedachten is de huidige studie gericht op het produceren van monsters die trinitiet nabootsen, maar geen gevoelige wapenontwerpinformatie bevatten. De brandstof- en mantelcomponenten binnen deze monsters zijn volledig generiek en de vergelijking met trinitiet is gebaseerd op chemie, morfologie en fysieke kenmerken. De overeenkomsten tussen trinitiet en het synthetische nucleaire smeltglas geproduceerd in deze studie zijn eerder besproken.3
Het doel van dit artikel is om de details van het productieproces te omschrijven dat wordt gebruikt aan de Universiteit van Tennessee (UT). Dit productieproces werd ontwikkeld met twee sleutelparameters in gedachten: 1) de samenstelling van het materiaal dat in nucleair smeltglas wordt opgenomen, en 2) de smelttemperatuur van het materiaal. Er bestaan methoden voor het schatten van de smelttemperatuur van glasvormende netwerken4 en deze technieken zijn hier gebruikt, samen met aanvullende experimenten om de optimale verwerkingstemperatuur voor de trinitietmatrix te bepalen.5
Alternatieve methoden voor de productie van surrogaatpuin zijn onlangs gepubliceerd. Het gebruik van hoogvermogende lasers heeft het voordeel dat het voldoende hoge temperaturen creëert om elementaire fractieringsprocessen binnen de doelmatrix te veroorzaken.6 Poreuze chromatografische substraten zijn gebruikt om kleine deeltjes te produceren die lijken op falloutdeeltjes met behulp van gecondenseerde fase methoden7. De laatste methode is het nuttigst voor het produceren van deeltjespuin (kernfallout) en is gedemonstreerd met natuurlijke metalen. De voordelen van de hier gepresenteerde methode zijn 1) eenvoud, 2) reproduceerbaarheid, en 3) schaalbaarheid (monstergrootten kunnen variëren van kleine korrels tot grote stukken smeltglas). Ook is deze methode uitbreidbaar zowel in termen van productieoutput als de verscheidenheid aan explosiescenarissen die worden behandeld, en het is al gedemonstreerd met behulp van radioactieve materialen. Een monster is met succes geactiveerd in de High Flux Isotope Reactor (HFIR) in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Natuurlijke uraniumverbindingen werden aan de matrix toegevoegd vóór het smelten en splijtproducten werden geproduceerd in situ door neutronenbestraling.
Methoden binnen de glasfabricage-industrie en die worden gebruikt voor het immobiliseren van radioactief afval8 zijn geraadpleegd bij de ontwikkeling van de hier gepresenteerde methode. De unieke effecten van straling in glazen zijn inherent interessant9 en zullen een belangrijk onderzoeksgebied vormen naarmate deze methode verder wordt ontwikkeld.
De hieronder beschreven methode is geschikt voor elke toepassing waar een bulkmonster van smeltglas gewenst is. Deze monsters lijken het meest op het materiaal dat wordt aangetroffen nabij het epicentrum van een nucleaire explosie. Er kunnen monsters van verschillende groottes worden geproduceerd, maar methoden die plasmafakkels of lasers gebruiken, zullen nuttiger zijn voor het simuleren van fijn deeltjespuin. Ook bereiken commerciële HTF's niet genoeg hoge temperaturen om elementaire fractieringsprocessen te veroorzaken voor een breed scala aan elementen. Deze methode zou moeten worden toegepast wanneer fysieke en morfologische kenmerken van primair belang zijn.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Opgelet: De hier geschetste werkwijze omvat het gebruik van radioactieve materialen (bijvoorbeeld uranium hexahydraat) en meerdere bijtende stoffen. Geschikte beschermende kleding en uitrusting moeten worden gebruikt (met inbegrip van een laboratoriumjas, handschoenen, oogbescherming, en een zuurkast) tijdens de voorbehandeling. Daarnaast dient het laboratorium gebieden die worden gebruikt voor dit werk regelmatig worden gecontroleerd op radioactieve besmetting.
Opmerking:. De chemische verbindingen nodig zijn in tabel 1 vermelde Deze formulering werd ontwikkeld door eerder onderzoek gerapporteerde samenstellingsgegevens voor trinitite 10 De massafracties hier gerapporteerd werden bepaald door het middelen van de massafracties voor verschillende trinitite monsters 10 De "ontbrekende" massa.. (de fracties om niet samen te vatten om de eenheid) bestaat om te zorgen voor een zekere flexibiliteit bij het toevoegen van brandstof, sabotage en andere bestanddelen. Onze onafhankelijke analyse van een aantal trinitite monsters suggereert dat kwarts is het enige minerale faseoverleven in trinitite. 5 Daarom, kwarts is het enige mineraal in onze Standaard Trinitite Formulering (STF). Hoewel overblijfsel korrels van andere mineralen gerapporteerd in trinitite, 11 betreft doorgaans uitzondering dan regel te zijn. In het algemeen kwarts enige mineraal in de smelt glas. 10,12 Ook kwartszand is een gemeenschappelijke component van asfalt en beton die belangrijk bij de vorming van stedelijke gesmolten glas nucleair zijn.
-4| Gemiddeld Trinitite Gegevens | Standard Trinitite Formulering (STF) | ||
| Samenstelling | Massafractie | Samenstelling | Massafractie |
| SiO 2 | 6.42x10 -1 | SiO 2 | 6.42x10 -1 |
| Al 2 O 3 | 1.43x10 -1 | Al 2 O 3 | 1.43x10 -1 |
| CaO | 9.64x10 -2 | CaO | 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 |
| Totaal | 9.81x10 -1 | Totaal | 9.91x10 -1 |
Tabel 1. Lijst van chemische verbindingen.
1. Voorbereiding van de STF
Opmerking: Apparatuur die nodig is voorzien van een microbalans, metaal spatels, een keramische mortier en stamper, een zuurkast, latex handschoenen, een laboratoriumjas en oogbescherming.
2. De productie van 1 gram Smelt Glas Sample
Opmerking: Benodigdheden omvat een HTF begroot op 1600 ° C of hoger, hoge zuiverheid grafiet smeltkroezen, lange roestvrijstalen smeltkroes tang, hittebestendige handschoenen en oogbescherming. Hittebestendige handschoenen en oogbescherming te worden gedragen bij het inbrengen of verwijderen van monsters uit de oven. Getinte veiligheidsbril (of zonnebril) zijn nuttig als ze verminderen de schittering van de oven.
3. Steekproef Activation
Opmerking: De vergelijkingen die volgen zijn afgeleid uitgaande van het gebruik van wapens waardering (verrijkt) uranium metal. De hoeveelheden UNH of uraniumoxide moet worden geschaald volgens de massafractie van elementair uranium en het niveau van 235 U verrijking.




Let op: Grote zorg moet worden genomen bij de behandeling van plutonium en aanvullende analyse nodig zullen zijn. Met ingang van dit schrijven, is alleen uranium is gebruikt in de synthetische smelt glas monsters geproduceerd aan de UT en bestraald bij HFIR.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De niet-radioactieve monsters die in deze studie vergeleken met trinitite en Figuren 1-3 tonen aan dat de fysische eigenschappen en morfologie inderdaad vergelijkbaar. Figuur 1 geeft foto's die de overeenkomsten in kleur en textuur die worden waargenomen bij macroscopisch zichtbaar. Figuur 2 toont Scanning Electron Microscope (SEM) Secondary Electron (SE) beelden, die vergelijkbare functies op micronniveau onthullen. SEM analyse werd uitgevoerd met ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Opmerking over stappen 1.2.2 en 1.2.3: Het exacte bedrag van UNH zal variëren afhankelijk van het scenario wordt gesimuleerd. De planning formules van Giminaro et al. Kan worden gebruikt om de juiste massa uranium kiezen voor een gegeven monster 13 zoals besproken in de paragraaf "Sample Activering" van dit document. Ook kan uraniumoxide (UO 2 of U 3 O 8) worden gebruikt in plaats van UNH, indien beschikbaar, en de massa fractie van 235 U in de ve...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Dit werk werd uitgevoerd onder subsidienummer DE-NA0001983 van het Stewardship Science Academic Alliances (SSAA) programma van de National Nuclear Security Administration (NNSA).
Delen van deze studie zijn eerder gepubliceerd in het Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.3,13 Er is een octrooi aangevraagd voor deze methode.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| High Temperature Furnace (HTF) | Carbolite | HTF 18 | 1.800 °C HTF gebruikt om monsters te smelten |
| High Temperature Drop Furnace | CM Inc. | 1706 BL | 1.700 °C Drop Furnace gebruikt om monsters te smelten |
| Graphite Crucibles | SCP Science | 040-060-041 | 27 ml hoge zuiverheid grafiet smeltkroezen (10 stuks) |
| Smeltkroezentang | Grainger | 5ZPV0 | 66 cm, roestvrijstalen tang voor het hanteren van smeltkroezen |
| Hittebestendige handschoenen | Grainger | 8814-09 | Handschoenen gebruikt om handen te beschermen tegen hitte tijdens introductie/verwijdering van monsters |
| Mortel en stamper | Fisherbrand | S337631 | 300 ml, keramische mortel en stamper voor het vermalen en mengen |
| Microbalans | Grainger | 8NJG2 | 220 g Cap, hoogprecisiebalans voor het meten van poedermassa |
| Spatels | Fisherbrand | 14374 | Metalen spatels voor het meten van kleine hoeveelheden poeder |
| SiO2 | Sigma-Aldrich | 274739-5KG | Kwartszand CAS Nummer: 14808-60-7 |
| Al2O3 | Sigma-Aldrich | 11028-1KG | Aluminiumoxide Poeder CAS Nummer: 1344-28-1 |
| CaO | Sigma-Aldrich | 12047-2.5KG | Calciumoxide Poeder CAS Nummer: 1305-78-8 |
| FeO | Sigma-Aldrich | 400866-25G | IJzeroxide Poeder CAS Nummer: 1345-25-1 |
| MgO | Sigma-Aldrich | 342793-250G | Magnesiumoxide Poeder CAS Nummer: 1309-48-4 |
| Na2O | Sigma-Aldrich | 36712-25G | Natriumoxide Poeder CAS Nummer: 1313-59-3 |
| KOH | Sigma-Aldrich | 278904-250G | Kaliumhydroxide Pellets CAS Nummer: 12030-88-5 |
| MnO | Sigma-Aldrich | 377201-500G | Mangaanoxide Poeder CAS Nummer: 1344-43-0 |
| TiO2 | Sigma-Aldrich | 791326-5G | Titaniumoxide Korrels CAS Nummer: 12188-41-9 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.