JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

A protocol for the production of synthetic nuclear melt glass, similar to trinitite, is presented.

Abstract

Realistic surrogate nuclear debris is needed within the nuclear forensics community to test and validate post-detonation analysis techniques. Here we outline a novel process for producing bulk surface debris using a high temperature furnace. The material developed in this study is physically and chemically similar to trinitite (the melt glass produced by the first nuclear test). This synthetic nuclear melt glass is assumed to be similar to the vitrified material produced near the epicenter (ground zero) of any surface nuclear detonation in a desert environment. The process outlined here can be applied to produce other types of nuclear melt glass including that likely to be formed in an urban environment. This can be accomplished by simply modifying the precursor matrix to which this production process is applied. The melt glass produced in this study has been analyzed and compared to trinitite, revealing a comparable crystalline morphology, physical structure, void fraction, and chemical composition.

Introduction

Concerns over the potential malicious use of nuclear weapons by terrorists or rogue nations have highlighted the importance of nuclear forensics analysis for the purpose of attribution.1 Rapid post-detonation analysis techniques are desirable to shorten the attribution timeline as much as possible. The development and validation of such techniques requires realistic nuclear debris samples for testing. Nuclear testing no longer occurs in the United States and nuclear surface debris from the testing era is not readily available (with the exception of trinitite - the melt glass produced by the first nuclear test at the trinity site) and therefore realistic surrogate debris is needed.

The primary goal of the method described here is the production of realistic surrogate nuclear debris similar to trinitite. Synthetic nuclear melt glass samples which are readily available to the academic community can be used to test existing analysis techniques and to develop new methods such as thermo-chromatography for rapid post-detonation analysis.2 With this goal in mind the current study is focused on producing samples which mimic trinitite but do not contain any sensitive weapon design information. The fuel and tamper components within these samples are completely generic and the comparison to trinitite is based on chemistry, morphology, and physical characteristics. The similarities between trinitite and the synthetic nuclear melt glass produced in this study have been previously discussed.3

The purpose of this article is to outline the details of the production process used at the University of Tennessee (UT). This production process was developed with two key parameters in mind: 1) the composition of material incorporated into nuclear melt glass, and 2) the melting temperature of the material. Methods exist for estimating the melting temperature of glass forming networks4 and these techniques have been employed here, along with additional experimentation to determine the optimal processing temperature for the trinitite matrix.5

Alternative methods for surrogate debris production have been published recently. The use of high power lasers has the advantage of creating sufficiently high temperatures to cause elemental fractionation within the target matrix.6 Porous chromatographic substrates have been used to produce small particles similar to fallout particles using condensed phase methods7. The latter method is most useful for producing particulate debris (nuclear fallout) and has been demonstrated with natural metals. The advantages of the method presented here are 1) simplicity, 2) reproducibility, and 3) scalability (sample sizes can range from tiny beads to large chunks of melt glass). Also, this method is expandable both in terms of production output and variety of explosive scenarios covered, and it has already been demonstrated using radioactive materials. A sample has been successfully activated at the High Flux Isotope Reactor (HFIR) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Natural uranium compounds were added to the matrix prior to melting and fission products were produced in situ by neutron irradiation.

Methods within the glass making industry and those employed for the purpose of radioactive waste immobilization8 have been consulted in the development of the method presented here. The unique effects of radiation in glasses are of inherent interest9 and will constitute an important area of study as this method is further developed.

The method described below is appropriate for any application where a bulk melt glass sample is desired. These samples most closely resemble the material found near the epicenter of a nuclear explosion. Samples of various sizes can be produced, however, methods employing plasma torches or lasers will be more useful for simulating fine particulate debris. Also, commercial HTFs do not reach temperatures high enough to cause elemental fractionation for a wide range of elements. This method should be employed when physical and morphological characteristics are of primary importance.

Protocol

تحذير: إن العملية المذكورة هنا تشمل استخدام المواد المشعة (مثل اليورانيوم نترات هيكساهيدرات) والعديد من المواد المسببة للتآكل. يجب استخدام الملابس الواقية المناسبة والمعدات (بما في ذلك معطف المختبر، والقفازات، وحماية العين، وغطاء الدخان) أثناء إعداد العينات. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي رصد المناطق المختبرات المستخدمة لهذا العمل بانتظام عن التلوث الإشعاعي.

ملاحظة: يتم سرد المركبات الكيميائية اللازمة في الجدول 1 تم تطوير هذه الصيغة من خلال فحص سابقا أفادت البيانات التركيبية للtrinitite 10 الكسور الجماعية التي أبلغ عنها هنا تم تحديدها عن طريق حساب متوسط ​​الكسور كتلة لعدة عينات trinitite مختلفة 10 "المفقودين" الكتلة. (الكسور لعدم تلخيص للوحدة) موجود للسماح لبعض المرونة عند إضافة الوقود، عبث، ومكونات أخرى. لدينا تحليل مستقل من عدة عينات trinitite تشير إلى أن الكوارتز هي المرحلة الوحيدة المعدنيةالباقين على قيد الحياة في trinitite. 5 لذلك، الكوارتز المعدنية الوحيدة المدرجة في موقعنا Trinitite صياغة المعيار (STF). على الرغم من أن الحبوب مخلفات المعادن الأخرى قد ذكرت في trinitite، 11 هذه تميل إلى أن يكون الاستثناء وليس القاعدة. بشكل عام، الكوارتز المعدنية فقط وجدت في الزجاج تذوب. 10،12 أيضا، رمل الكوارتز هو عنصر مشترك من الأسفلت والخرسانة والتي سوف تكون مهمة في تشكيل الحضري ذوبان الزجاج النووي.

-4
وبلغ متوسط ​​البيانات Trinitite مستوى Trinitite صياغة (STF)
مركب جزء الشامل مركب جزء الشامل
شافي 2 6.42x10 -1 شافي 2 6.42x10 -1
آل 2 O 3 1.43x10 -1 آل 2 O 3 1.43x10 -1
تساو 9.64x10 -2 تساو 9.64x10 -2
فيو 1.97x10 -2 1.97x10 -2
أهداب الشوق 1.15x10 -2 أهداب الشوق 1.15x10 -2
نا 2 O 1.25x10 -2 نا 2 O 1.25x10 -2
K 2 O 5.13x10 -2 KOH 6.12x10 -2
MNO 5.05x10 -4 MNO
تيو 2 4.27x10 -3 تيو 2 4.27x10 -3
الإجمالي الكلي 9.81x10 -1 الإجمالي الكلي 9.91x10 -1
"> فيو 9px؛ "> 5.05x10

الجدول 1 قائمة من المركبات الكيميائية.

1. إعداد STF

ملاحظة: المعدات المطلوبة تتضمن توازن دقيق، ملاعق معدنية، وهاون ومدقة السيراميك، وغطاء الدخان الكيميائي، والقفازات المطاطية، معطف المختبر، وحماية العين.

  1. خلط المكونات غير المشعة
    1. الحصول على ما لا يقل عن 65 غراما من رمل الكوارتز (شافي 2)، 15 غراما من آل 2 O 3 </ دون> مسحوق، 10 غرام من مسحوق أكسيد الكالسيوم، 2 غرام من مسحوق فيو، 2 غرام من مسحوق أهداب الشوق، 2 غرام من نا 2 مسحوق O، 7 غ من الكريات KOH، 1 غرام من مسحوق MNO و 1 غرام من تيو 2 مسحوق ( المركبات المدرجة في الجدول 1).
    2. استخدام توازن دقيق وملعقة صغيرة لقياس بدقة الكسور كتلة كل مركب كما هو موضح في الجدول 1. للحصول على أفضل النتائج إعداد 100 غرام من المصفوفة السلائف غير المشعة في وقت واحد.
    3. استخدام هاون ومدقة ليطحنون (إلى ~ 10-20 حبيبات حجم ميكرون)، وبدقة مزيج من المركبات، وتشكيل مسحوق خليط متجانس تحتوي على 64.2 غرام من شافي 2، 14.2 غرام من آل 2 O 3، 9.64 غرام من أكسيد الكالسيوم، 1.97 ز فيو، 1،15 غرام من أهداب الشوق، 1،25 غرام من نا 2 O. 6.12 غرام من KOH، 0.0505 غرام من MNO، و0.427 غرام من تيو 2.
    4. تستنهض الهمم الخليط، وذلك باستخدام خلاط الكرة، قبل وقت قصير من اتخاذ الخطوة التالية.
  2. خلط STF مع اليورانيوم نترات هيكساهيدرات (مقر الأمم المتحدة)
    1. Acquغضب لا يقل عن 1 غرام من مقر الأمم المتحدة.
    2. داخل غطاء الدخان، يطحنون بضع بلورات مقر الأمم المتحدة (باستخدام هاون ومدقة) لتشكيل مسحوق ناعم من 1-2 ميكرون حبيبات.
    3. إضافة 33.75 ميكروغرام من UNH في كل غرام من المصفوفة السلائف غير المشعة (هذه النسبة الملائمة لمحاكاة سلاح بسيط مع العائد من 1 كيلوطن). 13
    4. تخلط جيدا خليط مسحوق، بما في ذلك مقر الأمم المتحدة، وذلك باستخدام هاون ومدقة. استكمال خلط النهائي قبل الخطوة ذوبان قريبا.

2. إنتاج 1 غرام تذوب الزجاج عينة

ملاحظة: المعدات المطلوبة يتضمن HTF في تصنيف 1600 درجة مئوية أو أعلى، عالية النقاء بوتقة الجرافيت، الفولاذ المقاوم للصدأ طويلة ملقط بوتقة، قفازات مقاومة للحرارة، وحماية العين. يجب ارتداء قفازات مقاومة للحرارة وحماية العين عند إدخال أو إزالة عينات من الفرن. نظارات السلامة ملون (أو نظارات الشمس) مفيدة لأنها تقلل من وهج الفرن.

  1. إنتاج عينة غير المشعة
    1. ملء طبق السيراميك سميك (مثل الهاون) مع ~ 100 غرام من الرمل الكوارتز النقي والحفاظ على RT بالقرب من موقع الفرن حيث يتم صهرها العينات.
    2. سخن HTF إلى 1500 درجة مئوية.
    3. قياس بعناية 1.00 غرام من مسحوق خليط غير المشعة ووضع المسحوق في نقاء عالية الجرافيت بوتقة.
    4. وضع بعناية البوتقة في HTF ساخنة (باستخدام زوج طويل من الصلب ملقط بوتقة) وإذابة الخليط لمدة 30 دقيقة.
    5. إزالة عينة (مرة أخرى باستخدام ملقط) وتصب العينة المنصهرة في هاون مملوءة بالرمل.
    6. السماح للحبة الزجاج لتبرد لمدة 1-2 دقيقة قبل المناولة.
    7. تلميع حبة لإزالة الرمال المتبقية (إذا لزم الأمر).
  2. إنتاج عينة المشعة
    1. كرر الخطوات من 2.1.1 و 2.1.2 أعلاه.
    2. قياس بعناية 1.00 غرام من مسحوق خليط المشع (بما في ذلك مقر الأمم المتحدة) ووضع powd إيه في نقاء عالية الجرافيت بوتقة باستخدام ملعقة منفصلة وتوازن دقيق لتجنب التلوث المتبادل.
    3. كرر الخطوات من 2.1.4 - 2.1.6 أعلاه.
    4. مراقبة المنطقة المحيطة الفرن (باستخدام كاشف باليد الإشعاع و / أو فحوصات انتقاد) للتحقق من التلوث الإشعاعي.

تنشيط 3. عينة

ملاحظة: تم اشتقاق المعادلات التي تتبع افتراض استخدام الأسلحة الصف (التخصيب) معدن اليورانيوم. فإن كميات من مقر الأمم المتحدة أو أكسيد اليورانيوم تحتاج إلى زيادتها وفقا لجزء من كتلة اليورانيوم الأولي ومستوى 235 U تخصيب اليورانيوم.

  1. تفعيل عينة تذوب الزجاج مع اليورانيوم فيو
    1. حساب جزء من كتلة معدن اليورانيوم المطلوبة للعينة باستخدام المعادلة التالية 13 (حيث m U تمثل جزء من كتلة اليورانيوم وY يمثل العائد سلاح):
      473 / 53473eq1.jpg "/>
    2. اختياري: احسب جزء من كتلة عبث (على سبيل المثال، اليورانيوم الطبيعي والرصاص والتنجستن) باستخدام المعادلة التالية: 13
      figure-protocol-10211
    3. حساب العدد المستهدف من انشطارات في العينة باستخدام المعادلة التالية 13 حيث يمثل M الصورة كتلة العينة في غرام وN و يمثل عدد انشطارات المنتجة في العينة خلال التشعيع:
      figure-protocol-10567
    4. حساب الوقت تشعيع المطلوبة باستخدام المعادلة التالية 13 حيث m 235 يمثل (مستوى التخصيب) 235 U جزء الجماعية ور IRR هي المرة التشعيع في ثوان:
      figure-protocol-10908
    5. أشرق العينة لر ثواني IRR في تدفق النيوترون الحراري 4.0 × 10 14 ن / سم 2 / ثانية. على سبيل المثال، فإن التشعيع 60 ثانية في هوائي أنبوب 1 (PT-1) في HFIR (مع الحرارية إلى صدى نسبة 35) تنتج حوالي 1.1 × 10 11 انشطار في عينة تحتوي على 870 ميكروغرام من UNH (أي ما يعادل 410 ميكروغرام من اليورانيوم الطبيعي، أو 3.0 ميكروغرام من 235 U). وقد تم إنجاز هذا لأحد 0.433 غرام حبة الزجاج مصممة لمحاكاة نموذج ذوبان الزجاج التي تنتجها سلاح ذو العائد 0.1 كيلوطن. وقد تم تحليل هذه العينة بدقة من قبل كوك وآخرون. 14
    6. اتبع بروتوكولات السلامة المعمول بها للتعامل مع العينة المشعة بعد التشعيع.
  2. تفعيل عينة تذوب الزجاج مع البلوتونيوم الوقود (العوامل التخطيط)
    1. حساب جزء من كتلة البلوتونيوم المعادن اللازمة لعينة باستخدام المعادلة التالية 13 حيث م تمثيلا بونهاية الخبر جزء البلوتونيوم كتلة وY يمثل العائد السلاح:
      figure-protocol-12155
    2. كرر الخطوات من 3.1.2 و3.1.3 أعلاه.
    3. تحديد الوقت تشعيع المطلوبة للحصول على العدد المطلوب من انشطارات في العينة ذوبان الزجاج. هذه المرة سوف تعتمد على تكوين ودرجة من البلوتونيوم وكذلك الطيف طاقة النيوترون.

ملاحظة: يجب توخي الحذر الشديد عند التعامل مع البلوتونيوم وتحليلات إضافية ستكون مطلوبة. حتى كتابة هذه السطور، وقد استخدمت اليورانيوم فقط في الاصطناعية عينات الزجاج المصهور المنتجة في UT والمشع في HFIR.

النتائج

وقد تم مقارنة العينات غير المشعة المنتجة في هذه الدراسة إلى trinitite وأرقام 1-3 تبين أن الخصائص الفيزيائية والتشكل هي في الواقع مشابهة الشكل (1) توفر الصور التي تكشف عن أوجه التشابه في اللون والملمس الذي لوحظ على مستوى العيانية. ويبين الشكل ...

Discussion

مذكرة بشأن الخطوات 1.2.2 و1.2.3: إن المبلغ المحدد من مقر الأمم المتحدة تختلف تبعا لسيناريو يجري محاكاة. الصيغ التخطيط وضعتها Giminaro وآخرون يمكن استخدامها لاختيار كتلة مناسبة لليورانيوم في عينة معينة 13 كما نوقش في قسم "تفعيل نموذج" من هذه الورقة. أيضا، أكسيد ?...

Disclosures

This work was performed under grant number DE-NA0001983 from the Stewardship Science Academic Alliances (SSAA) Program of the National Nuclear Security Administration (NNSA).

Acknowledgements

Portions of this study have been previously published in the Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry.3,13 A patent is pending for this method.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
High Temperature Furnace (HTF)CarboliteHTF 181,800 °C HTF used to melt samples
High Temperature Drop FurnaceCM Inc.1706 BL1,700 °C Drop Furnace used to melt samples
Graphite CruciblesSCP Science040-060-04127 ml high purity graphite crucibles (10 pack)
Crucible TongsGrainger5ZPV026 in., stainless steele tongs for handling crucibles
Heat Resistent GlovesGrainger8814-09Gloves used to protect hands from heat during sample intro/removal
Mortar & PestleFisherbrandS337631300 ml, Ceramic mortar and pestle for powdering and mixing
Micro BalanceGrainger8NJG2220 g Cap, high precision scale for measuring powder mass
SpatulasFisherbrand14374Metal spatulas for measure small quantities of powder
SiO2Sigma-Aldrich274739-5KGQuartz Sand  CAS Number: 14808-60-7
Al2O3Sigma-Aldrich11028-1KGAluminum Oxide Powder  CAS Number: 1344-28-1
CaOSigma-Aldrich12047-2.5KGCalcium Oxide Powder  CAS Number: 1305-78-8
FeOSigma-Aldrich400866-25GIron Oxide Powder  CAS Number: 1345-25-1
MgOSigma-Aldrich342793-250GMagnesium Oxide Powder  CAS Number: 1309-48-4
Na2OSigma-Aldrich36712-25GSodium Oxide Powder  CAS Number: 1313-59-3
KOHSigma-Aldrich278904-250GPotasium Hydroxide Pellets  CAS Number: 12030-88-5
MnOSigma-Aldrich377201-500GManganese Oxide Powder  CAS Number: 1344-43-0
TiO2Sigma-Aldrich791326-5GTitanium Oxide Beads  CAS Number: 12188-41-9

References

  1. Carnesdale, A. . Nuclear Forensics: A Capability at Risk (Abbreviated Version). , (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. , (2007).
  5. Oldham, C. J., Molgaard, J. J., Auxier, J. D., Hall, H. L. Comparison of Nuclear Debris Surrogates Using Powder X-Ray Diffraction. , (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. , (2006).
  20. . . IAEA Safeguards Glossary. , (2001).
  21. Glasstone, S., Dolan, P. . Effects of Nuclear Weapons. , (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. , (2015).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

107 trinitite

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved