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요약

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

초록

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.

서문

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.

프로토콜

주의 : 여기에 설명 된 공정은 방사성 물질의 사용을 포함한다 (예를 들면, 우라늄 질산염 수화물) 및 여러 부식성 물질. 적절한 보호 복 및 장비 샘플 준비하는 동안 (실험실 코트, 장갑, 눈 보호 및 흄 후드 포함)를 사용해야합니다. 또한, 본 연구에 사용되는 실험 지역은 방사능 오염에 대한 정기적으로 모니터링해야한다.

참고 :. 필요한 화학 화합물은 표 1에 나와있는이 제제는 trinitite에 대해 이전에 검사하여 조성 데이터를보고 개발 된 측정 하였다 여기에보고 10 질량 분수를 여러 trinitite 샘플의 질량 분수를 평균하여 10 "실종"질량을.. (분수 통일에 합산하지 않음)는 연료, 변조 및 기타 구성 요소를 추가 할 때 유연성을 허용하기 위해 존재한다. 여러 trinitite 샘플 우리의 독립적 인 분석은 석영 유일한 광물 단계가 있음을 시사한다trinitite에서 생존. (5) 따라서, 석영은 우리의 표준 Trinitite 제제 (STF)에 포함 된 유일한 광물이다. 다른 무기물 입자의 유물이 trinitite에보고되었지만, 이들의 11은 예외보다는 규칙 경향이있다. 일반적으로, 석영 유리 용융물에서 발견하는 광물이다. (10, 12)도 석영 모래 도시 핵 용융 유리의 형성에 중요하다 아스팔트 콘크리트의 일반적인 성분이다.

-4
평균 Trinitite 데이터 표준 Trinitite 제제 (STF)
화합물 질량 분수 화합물 질량 분수
그런가 2 6.42x10 -1 그런가 2 6.42x10 -1
알 2 O 3 1.43x10 -1 알 2 O 3 1.43x10 -1
CaO를 9.64x10 -2 CaO를 9.64x10 -2
FeO의 1.97x10 -2 1.97x10 -2
산화 마그네슘 1.15x10 -2 산화 마그네슘 1.15x10 -2
나 2 O 1.25x10 -2 나 2 O 1.25x10 -2
K 2 O 5.13x10 -2 KOH 6.12x10 -2
MnO를 5.05x10 -4 MnO를
이산화 티탄 4.27x10 -3 이산화 티탄 4.27x10 -3
합계 9.81x10 -1 합계 9.91x10 -1
"> FeO의 9px; "> 5.05x10

화학 물질의 표 1을 참조하십시오. 목록.

STF 1. 준비

참고 : 필요한 장비는 마이크로 저울, 금속 주걱, 세라믹 박격포와 유 봉, 화학 흄 후드, 라텍스 장갑, 실험실 코트, 및 눈 보호를 포함한다.

  1. 비 방사성 구성 요소의 혼합
    1. 규사의 적어도 65g (SiO2로)하여 Al2O3 15g을 취득 </ 서브> 분말의 CaO 분말 10g, FeO의 분말 2g, 산화 마그네슘 분말 2g, 나 2 O 분말 2g, KOH 펠렛 7g, MnO를 분말 1g과 이산화 티탄 분말의 1g ( 표 1에 나열된 화합물).
    2. 표 1에 나열된 각 화합물의 정확한 질량 분율을 측정하기 위해 마이크로 저울 작은 주걱을 사용한다. 최상의 결과를 한번에 비 방사성 모체의 100g을 준비.
    3. SiO2를 64.2 g, 알 2 O 3 14.2 g,의 CaO 9.64 g, 1.97 g을 함유하는 균질 한 분말 혼합물을 형성하는 화합물을 혼합 철저 (~ 10-20 μm의 크기 입자)를 분쇄하고 모르타르 및 유봉을 사용하여 FeO의, 산화 마그네슘 1.15 g을, 나 2 O 1.25 g을 KOH 6.12 g, 0.0505 g의 MnO와 이산화 티탄의 0.427 g.
    4. 다음 단계 촬영 직전 공 믹서, 혼합물을 교반한다.
  2. 우라늄 질산 수화물로 STF의 혼합 (UNH)
    1. AcquUNH의 분노 적어도 1g.
    2. 흄 후드 내에서 1 ~ 2 μm의 입자의 미세 분말을 형성하기 위해 (박격포와 유 봉을 사용하여) 몇 UNH 결정을 분쇄.
    3. 비 방사성 모체 그램 당 UNH의 37,125 μg의 추가를 (이 비율은 1 킬로톤의 수율 단순한 무기 시뮬레이션에 적합하다). 13
    4. 철저 모르타르 및 유봉을 사용하여, UNH 포함한 분말 혼합물을 혼합한다. 곧 용융 단계 이전에 최종 혼합을 완료합니다.

1 그램의 용융 유리 샘플의 제조 2

참고 : 필요한 장비가 1,600 ℃ 이상, 고순도 흑연 도가니, 긴 스테인리스 스틸 도가니 집게, 내열 장갑과 눈 보호 정격 HTF를 포함한다. 도입 또는 용광로에서 샘플을 제거 할 때 내열 장갑과 보안경을 착용해야한다. 그들은 노의 눈부심을 줄이기로 색조 안전 고글 (또는 태양 안경은) 유용하다.

  1. 비 방사성 시료의 제조
    1. 순수한 석영 모래 ~ 100g으로 두꺼운 세라믹 접시 (예 모르타르 등) 채우고 샘플을 용융한다 노의 위치 RT 근처에서 유지한다.
    2. 1,500 ℃로 HTF를 예열.
    3. 신중 비 방사성 분말 혼합물의 1.00 g을 측정하고, 고순도의 흑연 도가니에 분말을 배치했다.
    4. 주의 깊게 (스틸 도가니 집게 긴 쌍을 사용하여) 가열 HTF에서 도가니를 배치하고, 30 분간 혼합물을 용융.
    5. (다시 집게를 사용하여) 샘플을 제거하고 모래로 가득 박격포로 용융 샘플을 붓는다.
    6. 유리 구슬이 취급하기 전에 1-2 분 동안 냉각 시키십시오.
    7. 필요한 경우 잔여 모래를 제거하는 연마 구슬.
  2. 방사성 시료의 제조
    1. 반복 위의 2.1.1과 2.1.2 단계를 반복합니다.
    2. 신중 (UNH 포함) 방사성 분말 혼합물의 1.00 g을 측정하고 powd 배치 교차 오염을 방지하기 위해 별도의 주걱 마이크로 저울을 사용하여 고순도의 흑연 도가니에 ER.
    3. 위의 2.1.6 - 반복 2.1.4 단계를 반복합니다.
    4. 방사능 오염에 대한 확인 (휴대용 방사선 검출기 및 / 또는 와이프 ​​세이를 이용하여)로 주위를 감시한다.

3. 샘플 활성화

참고 : 다음 방정식은 무기 등급 (농축) 우라늄 금속을 사용하는 것을 전제로 도출되었다. UNH 또는 우라늄 산화물의 양의 원소 우라늄의 질량 분율 (235) U 농축의 수준에 따라 확장 할 필요가있을 것이다.

  1. 우라늄 일인가 함께 용융 유리 시료의 활성화
    1. (m은 U는 우라늄 질량 분율을 나타내고, Y는 무기 수율을 나타낸다) (13) 아래의 방정식을 사용하여 샘플에 필요한 우라늄 금속의 질량 비율을 계산한다 :
      473 / 53473eq1.jpg "/>
    2. 선택적 아래의 방정식을 사용하여 변조 (예를 들어, 천연 우라늄, 납, 텅스텐)의 질량 비율을 계산한다 : (13)
      figure-protocol-6308
    3. M이 S 그램에서 시료의 질량을 나타내고, f는 N을 조사하는 동안 샘플을 제조 fissions의 수를 나타내며 다음 수학 식 13을 이용하여 시료 중의 fissions의 대상 번호를 구한다
      figure-protocol-6562
    4. M 235 235 U 질량 분율 (보충 레벨)를 나타내고, t의 IRR은 초 조사 13 시간 이하의 방정식을 사용하여 요구되는 조사 시간을 계산한다 :
      figure-protocol-6805
    5. 용 샘플을 조사4.0 × 10 14 N / cm 2 / sec의 열 중성자 플럭스로 IRR 초 t. 예를 들어, ((35)의 열 공진 비율) HFIR에서 공기 튜브 (1) (PT-1)에서 60 초 조사는 870 UNH의 μg의 (해당하는 410 μg의를 포함하는 샘플에서 약 1.1 × 10 11 fissions를 생성합니다 천연 우라늄, 또는 235 U의 3.0 μg의). 이것은 0.1 킬로 수율 무기 제조 용융 된 유리 샘플을 시뮬레이션하기위한 하나의 0.433 g의 유리 비드를 위해 이루어졌다. 이 샘플은 철저하게 요리 등의 등으로 분석하고있다. (14)
    6. 방사성 샘플 조사 후 처리를위한 관련 안전 프로토콜을 따르십시오.
  2. 플루토늄 연료와 용융 유리 샘플의 활성화 (계획 요소)
    1. 우레탄 represen를 13m 아래 식을 이용하여 샘플에 필요한 플루토늄 금속의 질량 분율을 계산플루토늄 질량 분율 TS Y는 무기 수율을 나타냅니다 :
      figure-protocol-7535
    2. 반복 단계 위의 3.1.2과 3.1.3.
    3. 용융 유리 fissions 샘플의 수를 얻기 위해 요구되는 조사 시간을 결정한다. 이번에 조성 등급 플루토늄뿐만 아니라 중성자 에너지 스펙트럼에 의존 할 것이다.

참고 :이 필요합니다 플루토늄 및 추가 분석을 처리 할 때 큰주의를 기울여야한다. 이 글을 쓰고있는 현재, 만 우라늄은 합성 용융 유리 샘플 유타에서 생산 및 HFIR에서 조사에 사용되어왔다.

결과

본 연구에서 제조 된 비 방사성 샘플 trinitite에 비해 1-3 물리적 특성과 형태는 참으로 유사하다는 것을 보여준다되고있다. (1) 거시적 수준에서 관찰되는 색상 및 질감의 유사성을 공개 사진을 제공 그림. 도 2는 마이크론 수준에서 유사한 특징을 표시 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 차 전자 (SE)의 이미지를 나타낸다. SEM 분석 및 SEM SEM 소프?...

토론

단계 1.2.2과 1.2.3에 대한 참고 : UNH의 정확한 양이 시나리오에 따라 달라집니다 시뮬레이션된다. Giminaro 등.이 개발 계획의 공식은이 문서의 "샘플 활성화"절에서 설명한 바와 같이, 주어진 샘플 13 우라늄의 적절한 질량을 선택하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 산화 우라늄 (UO 2 U 3 O 8)를 사용할 경우, UNH 대신에 사용하고, (UNH 또는 우라늄 산화물이 있...

공개

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

감사의 말

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.

자료

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

참고문헌

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