Przedstawiono protokół produkcji syntetycznego szkła do stopu jądrowego, podobnego do trynitu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokół produkcji syntetycznego szkła do stopu jądrowego, podobnego do trynitu.
Realistyczne zastępcze szczątki nuklearne są potrzebne w społeczności kryminalistyki nuklearnej do testowania i walidacji technik analizy po detonacji. W tym miejscu przedstawiamy nowatorski proces wytwarzania masowych odpadów powierzchniowych za pomocą pieca wysokotemperaturowego. Materiał opracowany w tym badaniu jest fizycznie i chemicznie podobny do trynitytu (stopionego szkła wytwarzanego w pierwszej próbie jądrowej). Zakłada się, że to syntetyczne szkło ze stopu jądrowego jest podobne do zeszklonego materiału wytwarzanego w pobliżu epicentrum (strefy zero) każdej powierzchniowej detonacji jądrowej w środowisku pustynnym. Opisany tutaj proces można zastosować do produkcji innych rodzajów szkła ze stopu jądrowego, w tym tego, które może powstać w środowisku miejskim. Można to osiągnąć po prostu modyfikując matrycę prekursora, do której stosuje się ten proces produkcyjny. Stopione szkło wytworzone w tym badaniu zostało przeanalizowane i porównane z trynitytem, ujawniając porównywalną morfologię krystaliczną, strukturę fizyczną, frakcję pustą i skład chemiczny.
Obawy dotyczące potencjalnego złośliwego użycia broni jądrowej przez terrorystów lub państwa zbójeckie podkreśliły znaczenie analizy kryminalistycznej dla celów atrybucji. 1 Techniki szybkiej analizy po detonacji są pożądane w celu maksymalnego skrócenia czasu atrybucji. Opracowanie i walidacja takich technik wymaga realistycznych próbek szczątków jądrowych do testów. Próby jądrowe nie odbywają się już w Stanach Zjednoczonych, a szczątki powierzchni jądrowej z epoki prób nie są łatwo dostępne (z wyjątkiem trynitytu - stopionego szkła powstałego w wyniku pierwszej próby jądrowej na stanowisku Trinity) i dlatego potrzebne są realistyczne szczątki zastępcze.
Głównym celem opisanej tutaj metody jest produkcja realistycznych zastępczych szczątków jądrowych podobnych do trinitite. Próbki syntetycznego szkła ze stopu jądrowego, które są łatwo dostępne dla społeczności akademickiej, mogą być wykorzystane do testowania istniejących technik analizy i opracowywania nowych metod, takich jak chromatografia termiczna do szybkiej analizy po detonacji. 2 Mając to na uwadze, obecne badania koncentrują się na wytworzeniu próbek, które naśladują trynityt, ale nie zawierają żadnych wrażliwych informacji o projekcie broni. Składniki paliwa i sabotażu w tych próbkach są całkowicie ogólne, a porównanie z trynitytem opiera się na chemii, morfologii i cechach fizycznych. Podobieństwa między trynitytem a syntetycznym szkłem ze stopu jądrowego wyprodukowanym w tym badaniu zostały już wcześniej omówione. 3
Celem tego artykułu jest nakreślenie szczegółów procesu produkcyjnego stosowanego na Uniwersytecie Tennessee (UT). Ten proces produkcyjny został opracowany z myślą o dwóch kluczowych parametrach: 1) składzie materiału wbudowanego w szkło do stopu jądrowego oraz 2) temperaturze topnienia materiału. Istnieją metody szacowania temperatury topnienia sieci formowania szkła4 i techniki te zostały tutaj zastosowane, wraz z dodatkowymi eksperymentami w celu określenia optymalnej temperatury przetwarzania dla matrycy trynitu. 5
Alternatywne metody produkcji zastępczych śmieci zostały ostatnio opublikowane. Zastosowanie laserów dużej mocy ma tę zaletę, że wytwarza wystarczająco wysokie temperatury, aby spowodować frakcjonowanie pierwiastków w matrycy docelowej. 6 Porowate podłoża chromatograficzne zostały użyte do wytworzenia małych cząstek podobnych do cząstek opadu przy użyciu metod fazy skondensowanej7. Ta ostatnia metoda jest najbardziej przydatna do wytwarzania pyłów zawieszonych (opad jądrowy) i została zademonstrowana w przypadku metali naturalnych. Zalety przedstawionej tutaj metody to 1) prostota, 2) odtwarzalność i 3) skalowalność (rozmiary próbek mogą wahać się od maleńkich kulek do dużych kawałków stopionego szkła). Ponadto metoda ta jest rozszerzalna zarówno pod względem wydajności produkcji, jak i różnorodności scenariuszy wybuchowych, a także została już zademonstrowana przy użyciu materiałów radioaktywnych. Próbka została pomyślnie aktywowana w reaktorze izotopowym o wysokim strumieniu (HFIR) w Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Naturalne związki uranu zostały dodane do matrycy przed stopieniem, a produkty rozszczepienia wyprodukowano in situ przez napromieniowanie neutronami.
Metody stosowane w przemyśle szklarskim oraz te stosowane w celu immobilizacji odpadów radioaktywnych8 były konsultowane przy opracowywaniu przedstawionej tutaj metody. Unikalne efekty promieniowania w okularach są nieodłącznie interesujące9 i będą stanowić ważny obszar badań w miarę dalszego rozwoju tej metody.
Metoda opisana poniżej jest odpowiednia dla każdego zastosowania, w którym pożądana jest próbka stopionego szkła. Próbki te najbardziej przypominają materiał znaleziony w pobliżu epicentrum eksplozji jądrowej. Można wytwarzać próbki o różnych rozmiarach, jednak metody wykorzystujące palniki plazmowe lub lasery będą bardziej przydatne do symulacji drobnych cząstek stałych. Ponadto komercyjne HTF nie osiągają wystarczająco wysokich temperatur, aby spowodować frakcjonowanie pierwiastkowe dla szerokiego zakresu pierwiastków. Metoda ta powinna być stosowana, gdy cechy fizyczne i morfologiczne mają pierwszorzędne znaczenie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Opisany tutaj proces obejmuje użycie materiałów promieniotwórczych (np. azotanu uranu sześciowodcianu) oraz kilku substancji żrących. Podczas przygotowania próbek należy stosować odpowiednią odzież i sprzęt ochronny (w tym fartuch laboratoryjny, rękawiczki, ochronę oczu oraz wyciąg laboratoryjny). Ponadto obszary laboratoryjne wykorzystywane do tych prac powinny być regularnie monitorowane pod kątem skażenia promieniotwórczego.
Uwaga: Potrzebne związki chemiczne wymieniono w Tabeli 1. Niniejsza receptura została opracowana na podstawie analizy wcześniej zgłoszonych danych składnikowych dla trinititu.10 Przedstawione tutaj ułamki masowe określono poprzez uśrednienie ułamków masowych dla kilku różnych próbek trinititu.10 „Brakująca” masa (ułamki nie sumują się do jedności) została uwzględniona, aby zapewnić pewną elastyczność podczas dodawania paliwa, tampera i innych składników. Nasza niezależna analiza kilku próbek trinititu sugeruje, że kwarc jest jedyną fazą mineralną występującą w triniticie.5 W związku z tym kwarc jest jedynym minerałem włączonym do naszej Standardowej Formuły Trinititu (STF). Chociaż w triniticie zgłaszano obecność reliktowych ziaren innych minerałów,11 stanowią one raczej wyjątek niż regułę. Zazwyczaj kwarc jest jedynym minerałem występującym w szkle stopowym.10,12 Ponadto piasek kwarcowy jest powszechnym składnikiem asfaltu i betonu, co będzie miało istotne znaczenie w procesie powstawania miejskiego nuklearnego szkła stopowego.
| Średnie dane dla trynitytu | Standardowa formulacja trynitytu (STF) | ||
| Związek | Ułamek masowy | Związek | Ułamek masowy |
| SiO2 | 6.42x10-1 | SiO2 | 6.42x10-1 |
| Al2O3 | 1.43x10-1 | Al2O3 | 1.43x10-1 |
| CaO | 9.64x10-2 | CaO | 9.64x10-2 |
| FeO | 1.97x10-2 | FeO | 1.97x10-2 |
| MgO | 1.15x10-2 | MgO | 1.15x10-2 |
| Na2O | 1.25x10-2 | Na2O | 1.25x10-2 |
| K2O | 5.13x10-2 | KOH | 6.12x10-2 |
| MnO | 5.05x10-4 | MnO | 5.05x10-4 |
| TiO2 | 4.27x10-3 | TiO2 | 4.27x10-3 |
| Suma | 9.81x10-1 | Suma | 9.91x10-1 |
Tabela 1. Lista związków chemicznych.
1. Przygotowanie STF
Uwaga: Wymagany sprzęt obejmuje mikrowagę, metalowe szpachelki, ceramicową moździerz z tłuczkiem, dygestorium chemiczne, rękawiczki lateksowe, fartuch laboratoryjny oraz ochronę oczu.
2. Przygotowanie 1-gramowej próbki szkła stopionego
Uwaga: Wymagany sprzęt obejmuje piec wysokotemperaturowy (HTF) o maksymalnej temperaturze 1 600 °C lub wyższej, tygle grafitowe o wysokiej czystości, długie kleszcze do tygli ze stali nierdzewnej, rękawice odporne na wysoką temperaturę oraz ochronę oczu. Rękawice odporne na temperaturę i środki ochrony oczu należy nosić podczas wprowadzania lub wyjmowania próbek z pieca. Przydatne są przyciemniane okulary ochronne (lub przeciwsłoneczne), ponieważ redukują one odblaski z wnętrza pieca.
3. Aktywacja próbki
Uwaga: Poniższe równania zostały wyprowadzone przy założeniu użycia metalicznego uranu klasy wojskowej (wzbogaconego). Ilości UNH lub tlenku uranu będą wymagały przeskalowania zgodnie z ułamkiem masy uranu pierwiastkowego oraz stopniem wzbogacenia w 235U.





Uwaga: Należy zachować szczególną ostrożność podczas pracy z plutonem i wymagana będzie dodatkowa analiza. W momencie sporządzania niniejszego tekstu w syntetycznych próbkach szkła stopowego wytworzonych w UT i napromieniowanych w HFIR stosowano wyłącznie uran.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Próbki nieradiacyjne wytworzone w niniejszym badaniu porównano z trynitytem, a Rysunki 1-3 pokazują, że właściwości fizyczne i morfologia są rzeczywiście podobne. Rysunek 1 przedstawia fotografie ujawniające podobieństwa w kolorze i teksturze obserwowane na poziomie makroskopowym. Rysunek 2 prezentuje obrazy z elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) uzyskane za pomocą detektora elektronów wtórnych (SE), które ukazują podobne cechy na poziomie mikronowym. Analizę SEM ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga dotycząca kroków 1.2.2 i 1.2.3: Dokładna ilość UNH będzie się różnić w zależności od symulowanego scenariusza. Wzory planistyczne opracowane przez Giminaro i wsp. mogą być wykorzystane do wyboru odpowiedniej masy uranu dla danej próbki13, jak omówiono w sekcji "Aktywacja próbki" niniejszego artykułu. Tlenek uranu (UO2 lubU3O8) może być również stosowany zamiast UNH, jeśli jest dostępny, i należy wziąć pod uwagę udział masowy 235U w związku (niezależnie...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Prace te zostały wykonane w ramach grantu nr DE-NA0001983 z programu Stewardship Science Academic Alliances (SSAA) Narodowej Administracji Bezpieczeństwa Jądrowego (NNSA).
Fragmenty tego badania zostały wcześniej opublikowane w Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 3,13 Zgłoszono patent na tę metodę.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Piec wysokotemperaturowy (HTF) | Carbolite | HTF 18 | 1,800 ° C HTF używany do topienia próbek |
| Wysokotemperaturowy piec kroplowy | CM Inc. | 1706 BL | 1,700 ° C Piec kroplowy używany do topienia próbek |
| Tygle grafitowe | SCP Science | 040-060-041 | 27 ml tygle grafitowe o wysokiej czystości (10 sztuk) |
| Szczypce do tygli | Grainger | 5ZPV0 | 26 cali, szczypce ze stali nierdzewnej do obsługi tygli |
| Rękawice żaroodporne | Grainger | 8814-09 | Rękawice używane do ochrony rąk przed gorącem podczas wprowadzania/wyjmowania próbki |
| Zaprawa i Tłuczek | Fisherbrand | S337631 | 300 ml, Moździerz ceramiczny i tłuczek do pudrowania i mieszania |
| Micro Balance | Grainger | 8NJG2 | 220 g Nasadka, precyzyjna skala do pomiaru masy proszku |
| Szpatułki | Fisherbrand | 14374 | Metalowe szpatułki do odmierzania małych ilości proszku |
| SiO2 | Sigma-Aldrich | 274739-5KG | Piasek kwarcowy Numer CAS: 14808-60-7 |
| Al2O3 | Sigma-Aldrich | 11028-1KG | Proszek tlenku glinu Numer CAS: 1344-28-1 |
| CaO | Sigma-Aldrich | 12047-2.5KG | Tlenek wapnia w proszku Numer CAS: 1305-78-8 |
| FeO | Sigma-Aldrich | 400866-25G | Tlenek żelaza w proszku Numer CAS: 1345-25-1 |
| MgO | Sigma-Aldrich | 342793-250G | Tlenek magnezu w proszku Numer CAS: 1309-48-4 |
| Na2O | Sigma-Aldrich | 36712-25G | Tlenek sodu w proszku Numer CAS: 1313-59-3 |
| KOH | Sigma-Aldrich | 278904-250G | Granulki wodorotlenku potasu Numer CAS: 12030-88-5 |
| MnO | Sigma-Aldrich | 377201-500G | Tlenek manganu w proszku Numer CAS: 1344-43-0 |
| TiO2 | Sigma-Aldrich | 791326-5G | Koraliki z tlenku tytanu Numer CAS: 12188-41-9 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.