ייצור סינטטי גרעינית ממיסים זכוכית

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

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

"> FeO 9px; "> 5.05x10

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.

1. ערבוב של רכיבים שאינם רדיואקטיביים
   1. לרכוש לפחות 65 גרם של חול קוורץ (SiO _2), 15 גרם של אל ₂ O _{3 <}/ Sub> אבקה, 10 גרם של אבקת קאו, 2 גרם של אבקת FeO, 2 גרם של אבקת MgO, 2 גרם של Na ₂ O אבקה, 7 גרם של כדורי KOH, 1 גרם של אבקת MNO ו1 גרם של אבקת Tio ₂ ( תרכובות המפורטים בטבלה 1).
   2. השתמש במרית microbalance וקטן כדי למדוד במדויק את השברים ההמוניים של כל מתחם כמפורט בטבלה 1. לקבלת התוצאות הטובות ביותר להתכונן של המטריצה ​​המבשרת לא רדיואקטיבי 100 גרם בפעם אחת.
   3. השתמש במכתש ועלי לכתוש (ל~ 10-20 גרגרי גודל מיקרומטר) ויסודיות לערבב תרכובות, ויצר תערובת אבקה הומוגנית המכילה 64.2 גרם של SiO _2, 14.2 גר 'אל ₂ O _3, 9.64 גרם של קאו, 1.97 גר' של FeO, 1.15 גרם של MgO, 1.25 גרם של Na ₂ O. 6.12 גרם של KOH, .0505 גרם של MNO, ו.427 גרם של Tio _2.
   4. להתסיס את התערובת, בעזרת מערבל כדור, זמן קצר לפני השלב הבא הוא נלקח.
2. ערבוב של STF עם האורניום חנקתי Hexahydrate (UNH)
   1. Acquז זעם לפחות 1 של UNH.
   2. בתוך מנדף, לכתוש כמה גבישי UNH (באמצעות מכתש ועלי) כדי ליצור אבקה דקה של 1-2 מיקרומטר גרגרים.
   3. להוסיף 33.75 מיקרוגרם של UNH לגרם של המטריצה ​​המבשרת לא רדיואקטיבי (יחס זה הוא מתאים להדמיית נשק פשוט עם תשואה של קילוטון 1). ¹³
   4. לערבב ביסודיות את תערובת האבקה, כולל UNH, באמצעות מכתש ועלי. השלם ערבוב סופי זמן קצר לפני שלב ההתכה.

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.

1. ייצור של מדגם שאינו רדיואקטיביים
   1. למלא צלחת קרמיקה עבה (כמו מרגמה) עם חול קוורץ טהור ~ 100 גרם ולשמור על RT ליד המיקום של הכבשן שבו הדגימות נמסו.
   2. מחממים את HTF 1,500 מעלות צלזיוס.
   3. למדוד בזהירות 1.00 גרם של תערובת האבקה אינה רדיואקטיביים ולמקם את האבקה בכור היתוך גרפיט טוהר גבוה.
   4. בזהירות במקום כור ההיתוך בHTF המחומם (באמצעות מלקחי כור היתוך פלדה ארוכים) ולהמס את התערובת למשך 30 דקות.
   5. הסר את המדגם (שוב באמצעות המלקחיים) ויוצקים את המדגם המותך לתוך המרגמה מלאה בחול.
   6. לאפשר חרוז הזכוכית להתקרר במשך 1-2 דקות לפני הטיפול.
   7. פולני חרוז כדי להסיר חול שייר (במידת צורך).
2. ייצור של מדגם רדיואקטיבי
   1. חזור על שלבים 2.1.1 ו2.1.2 לעיל.
   2. למדוד בזהירות 1.00 גרם של תערובת אבקת רדיואקטיבי (כולל UNH) ולמקם את powd אה בכור היתוך גרפיט טוהר גבוה בעזרת מרית וmicrobalance נפרדת, כדי למנוע זיהום צולב.
   3. חזור על שלבים 2.1.4 - 2.1.6 לעיל.
   4. צג סביב תנור האזור (באמצעות גלאי כף יד קרינה ו / או מבחני לסחוב) כדי לבדוק זיהום רדיואקטיבי.

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.

1. הפעלה של מדגם ממיסים זכוכית עם האורניום FUE
   1. לחשב את החלק היחסי של מסת מתכת אורניום הנדרשת למדגם באמצעות המשוואה להלן ¹³ (שבו מ _'U מייצגת את חלק מסת האורניום וY מייצג את תשואת הנשק):
      473 / 53473eq1.jpg "/>
   2. אופציונאלי: חישוב החלק ההמוני של טמפר (למשל, אורניום טבעי, עופרת, טונגסטן) באמצעות המשוואה הבאה: ¹³
      
   3. לחשב את מספר היעד של התפלגויות במדגם באמצעות המשוואה ¹³ הבאה שבו M _של מייצג את המסה של המדגם בגרמים _וF N מייצג את מספר ההתפלגויות מיוצרות במדגם במהלך הקרנה:
      
   4. לחשב את זמן הקרנה הנדרשת באמצעות המשוואה להלן ¹³ מ 'שבו ₂₃₅ מייצגת את (רמת ההעשרה) ²³⁵ שבריר המוני U _וIRR t הוא זמן ההקרנה בשניות:
      
   5. להקרין את המדגם עבורt שניות _IRR בשטף ניטרונים תרמי של 4.0 x 10 ¹⁴ n / ² סנטימטר / sec. לדוגמא, קרינת 60 שניות בTube פניאומטיים 1 (PT-1) בHFIR (עם תרמי לתהודת יחס של 35) תפיק כ 1.1 x 10 ¹¹ התפלגויות במדגם המכיל 870 מיקרוגרם של UNH (שווה ערך ל 410 מיקרוגרם של אורניום טבעי, או 3.0 מיקרוגרם של ²³⁵ U). זה הושג עבור חרוז זכוכית אחד .433 גרם נועד לדמות מדגם זכוכית להמיס מיוצר על ידי נשק עם תשואה של 0.1 קילוטון. מדגם זה כבר ניתח ביסודיות על ידי אל קוק et. ¹⁴
   6. עקוב פרוטוקולי בטיחות רלוונטיים לטיפול במדגם רדיואקטיבי לאחר ההקרנה.
2. הפעלה של מדגם ממיסים זכוכית עם דלק פלוטוניום (גורמי תכנון)
   1. לחשב את החלק היחסי ההמוני של פלוטוניום מתכת דרוש למדגם באמצעות המשוואה להלן ¹³ מ 'שבו represen _פוTS החלק ההמוני פלוטוניום וY מייצג את תשואת הנשק:
      
   2. חזרו על שלבי 3.1.2 ו3.1.3 לעיל.
   3. קבע את זמן ההקרנה נדרש לקבל את המספר הרצוי של התפלגויות במדגם הזכוכית להמיס. הפעם יהיו תלוי בהרכב והכיתה של פלוטוניום, כמו גם את ספקטרום אנרגיית ניטרונים.

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.

תוצאות

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 (...

Discussion

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 ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
High Temperature Furnace (HTF)	Carbolite	HTF 18	1,800 °C HTF used to melt samples
High Temperature Drop Furnace	CM Inc.	1706 BL	1,700 °C Drop Furnace used to melt samples
Graphite Crucibles	SCP Science	040-060-041	27 ml high purity graphite crucibles (10 pack)
Crucible Tongs	Grainger	5ZPV0	26 in., stainless steele tongs for handling crucibles
Heat Resistent Gloves	Grainger	8814-09	Gloves used to protect hands from heat during sample intro/removal
Mortar & Pestle	Fisherbrand	S337631	300 ml, Ceramic mortar and pestle for powdering and mixing
Micro Balance	Grainger	8NJG2	220 g Cap, high precision scale for measuring powder mass
Spatulas	Fisherbrand	14374	Metal spatulas for measure small quantities of powder
SiO2	Sigma-Aldrich	274739-5KG	Quartz Sand  CAS Number: 14808-60-7
Al2O3	Sigma-Aldrich	11028-1KG	Aluminum Oxide Powder  CAS Number: 1344-28-1
CaO	Sigma-Aldrich	12047-2.5KG	Calcium Oxide Powder  CAS Number: 1305-78-8
FeO	Sigma-Aldrich	400866-25G	Iron Oxide Powder  CAS Number: 1345-25-1
MgO	Sigma-Aldrich	342793-250G	Magnesium Oxide Powder  CAS Number: 1309-48-4
Na2O	Sigma-Aldrich	36712-25G	Sodium Oxide Powder  CAS Number: 1313-59-3
KOH	Sigma-Aldrich	278904-250G	Potasium Hydroxide Pellets  CAS Number: 12030-88-5
MnO	Sigma-Aldrich	377201-500G	Manganese Oxide Powder  CAS Number: 1344-43-0
TiO2	Sigma-Aldrich	791326-5G	Titanium Oxide Beads  CAS Number: 12188-41-9