Производство синтетического ядерной расплава стекла

Резюме

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

Аннотация

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.

Введение

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.

протокол

Внимание: Процесс, описанный здесь, включает в себя использование радиоактивных материалов (например, уран гексагидрата нитрата) и несколько коррозионные вещества. Соответствующую защитную одежду и оборудование следует использовать (в том числе халате, защитные перчатки, очки и вытяжным шкафом) во время подготовки образца. Кроме того, лабораторные площади, используемые для этой работы следует регулярно контролировать радиоактивного загрязнения.

Примечание:. Химические соединения, необходимые перечислены в таблице 1 Эта формулировка была разработана путем изучения ранее сообщили композиционные данные для trinitite ¹⁰ массовых долей, описанные здесь, были определены путем усреднения массовые доли для различных образцов trinitite ¹⁰ "пропавших без вести" массы.. (фракции не подвести к единице) существует, чтобы позволить некоторую гибкость при добавлении топлива, НСД, и другие составляющие. Наша независимый анализ нескольких образцов trinitite предполагает, что кварц является единственным минеральной фазывыживших в trinitite. ⁵ Таким образом, кварц единственный минерал, входит в одну из наших стандартных Trinitite композиции (СТП). Несмотря на то, реликтовые зерна других минералов были зарегистрированы в trinitite, ¹¹ они имеют тенденцию быть скорее исключением, чем правилом. В целом, кварц является единственным минерал в расплаве стекла. ^10,12 Кроме того, кварцевый песок является общим компонентом асфальта и бетона, которые будут важны в формировании городской стекла ядерного расплава.

^-4

Усредненные данные Trinitite		Стандартный Trinitite Постановка (СТП)
Соединение	Массовая доля	Соединение	Массовая доля
SiO 2	6.42x10 -1	SiO 2	6.42x10 -1
Al 2 O 3	1.43x10 -1	Al 2 O 3	1.43x10 -1
СаО	9.64x10 -2	СаО	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	КОН	6.12x10 -2
MnO	5.05x10 -4	MnO
TiO 2	4.27x10 -3	TiO 2	4.27x10 -3
Всего	9.81x10 -1	Всего	9.91x10 -1

"> FeO 9px; "> 5.05x10

Таблица 1. Список химических соединений.

1. Подготовка СТП

Примечание: Необходимое оборудование включает в себя микровесов, металлические шпатели, керамический ступку и пестик, химический вытяжной шкаф, латексные перчатки, халат и защитные очки.

1. Смешивание нерадиоактивных компонентов
   1. Приобретать по крайней мере, 65 г кварцевого песка (SiO _2), 15 г _Al 2 _O 3 _</ суб> порошок, 10 г СаО порошка, 2 г FeO порошка, 2 г MgO порошок, 2 г Na _{2 O} порошка, 7 г КОН гранул, 1 г MnO порошка и 1 г TiO ₂ порошка ( Соединения, перечисленные в таблице 1).
   2. Используйте микробаланса и небольшой шпатель для точного измерения массовые доли каждого соединения, перечисленные в таблице 1. Для достижения наилучших результатов подготовки 100 г нерадиоактивного матрицы предшественника в одно время.
   3. Использование ступку и пестик, чтобы распылить (до ~ 10-20 мкм гранул размером) и тщательно перемешивают соединений, образующих гомогенный порошковой смеси, содержащей 64,2 г _SiO 2 14,2 г _Al 2 O 3, 9,64 г CaO, 1,97 г из FeO, 1,15 г MgO, 1,25 г _Na 2 O. 6,12 г КОН, 0,0505 г MnO и 0,427 г _TiO 2.
   4. Перемешайте смесь, с использованием шаровой смеситель, незадолго до того, следующий шаг берется.
2. Смешивание СТП с ураном гексагидрата нитрата (UNH)
   1. Acquгнев, по крайней мере 1 г UNH.
   2. Внутри вытяжном шкафу, распылить несколько кристаллов Unh (с помощью ступки и пестика), чтобы сформировать тонкий порошок 1-2 мкм гранул.
   3. Добавить 33,75 мкг UNH на грамм нерадиоактивного предшественника матрицы (это соотношение является подходящим для имитации простой оружие с выходом 1 кт). ¹³
   4. Тщательно смешивают порошковой смеси, в том числе UNH, используя ступку и пестик. Полное смешение окончательного незадолго до стадии плавлени.

2. Производство 1 грамм Растопить образец стекла

Примечание: Необходимое оборудование включает в себя HTF мощностью 1600 ° С или выше, графитовые тигли высокой чистоты, длинные из нержавеющей стали тигельные щипцы, термостойких перчаток, и защитные очки. Жаропрочные перчатки и средства защиты глаз необходимо надевать при введении или удалении образцов из печи. Очки Тонированные безопасности (или солнцезащитные очки) являются полезными, поскольку они уменьшают блики от печи.

1. Производство нерадиоактивным образца
   1. Заполните толстую керамическую тарелку (например, раствора) с ~ 100 г чистого кварцевого песка и поддерживать при комнатной температуре вблизи места печи, где образцы будут расплавленного.
   2. Разогреть HTF 1500 ° С.
   3. Тщательно измерить 1,00 г нерадиоактивного порошковой смеси и поместите порошок в графитовом тигле высокой чистоты.
   4. Тщательно помещают тигель в нагретой HTF (используя длинную пару стальных тиглей щипцов) и смесь расплава в течение 30 мин.
   5. Удалить образец (опять используя щипцы) и залить расплавленный образец в ступке с песком.
   6. Разрешить стеклянная бусина остыть в течение 1-2 мин до обработки.
   7. Польский борт, чтобы удалить остатки песка (при необходимости).
2. Производство радиоактивных образца
   1. Повторите шаги 2.1.1 и 2.1.2 выше.
   2. Тщательно измерьте 1.00 грамм радиоактивного порошковой смеси (в том числе UNH) и поместите powd ER в графитовом тигле высокой чистоты с использованием отдельного шпателем и микровесов, чтобы избежать перекрестного загрязнения.
   3. Повторите шаги 2.1.4 - 2.1.6 выше.
   4. Монитор область вокруг печи (используя детектор ручной излучения и / или исследование мазков), чтобы проверить на радиоактивное загрязнение.

3. Образец Активация

Примечание: Уравнения, которые следуют были получены в предположении использования оружейного обогащенного () металлического урана. Количества UNH или оксид урана необходимо будет масштабируется в соответствии с массовой долей элементного урана и уровня обогащения урана ^235.

1. Активация образца расплава стекла с ураном Fue
   1. Рассчитайте массовую долю необходимого для образца, используя уравнение ниже ¹³ (где _U представляет м массовая доля урана и Y представляет выход оружия) металлического урана:
      473 / 53473eq1.jpg "/>
   2. Дополнительно: Рассчитать массовую долю от несанкционированного (например, природного урана, свинца, вольфрама) с использованием уравнения ниже: ¹³
      
   3. Вычисления целевого количества делений в образце, используя следующее уравнение ^13, где _M S представляет собой массу образца в граммах и _N F представляет число делений в образце во время облучения:
      
   4. Рассчитать необходимое время облучения, используя уравнение ниже ^13, где м ₂₃₅ представляет ²³⁵ массовая доля U (уровень обогащения) и т _ВСД время облучения в секундах:
      
   5. Облучать образец длят _IRR секунд на потока тепловых нейтронов 4,0 × 10 ¹⁴ н / см ² / сек. Например, 60 сек облучения в пневматической 1 (СТ-1) на HFIR (с термической к резонансу соотношении 35) будет производить около 1,1 х 10 ¹¹ делений в образце, содержащем 870 мкг UNH (эквивалентно 410 мкг природный уран, или 3,0 мкг ²³⁵ U). Это было достигнуто в течение одного 0,433 г стеклянных шариков, предназначенная для имитации стекла расплава образца, полученного с помощью оружия с выходом 0,1 килотонн. Этот образец был тщательно проанализированы Кук и др. ¹⁴
   6. Следуйте применимые протоколы безопасности при обращении с радиоактивными образец в пост-облучения.
2. Активация образца расплава стекла с плутониевого топлива (Планирование Факторы)
   1. Рассчитайте массовую долю металлического плутония, необходимого для образца, используя ниже ¹³ уравнение, где м _Pu представиTS плутония массовой доли и Y представляет собой доходность оружия:
      
   2. Повторяйте шаги 3.1.2 и 3.1.3 выше.
   3. Определить время, необходимое для облучения получить нужное количество делений в образце расплава стекла. Это время будет зависеть от состава и степени плутоний, а также энергетического спектра нейтронов.

Примечание: Большая забота должно быть принято при работе с плутонием и дополнительного анализа не требуется. На момент написания статьи, только уран был использован в синтетических образцов стекла расплава, производимых на УТ и облученных в HFIR.

Результаты

Нерадиоактивные образцы, произведенные в данном исследовании были по сравнению с trinitite и цифры 1-3 показывают, что физические свойства и морфология действительно похожи. Рисунок 1 дает фотографии, которые показывают сходство в цвете и текстуре, которые наблюд...

Обсуждение

Примечание относительно шагов 1.2.2 и 1.2.3: Точное количество UNH будет меняться в зависимости от сценария моделируется. Формулы планирования, разработанные Giminaro др. Может быть использован, чтобы выбрать подходящий массу урана для данного образца ^13, как описано в разделе "Обра?...

Материалы

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