Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, O Pacific Northwest National Laboratory e a Washington State University se uniram para investigar a complexa dinâmica de líquidos com pouca água que desafiam o processamento de resíduos nucleares em locais de limpeza federais.

Os resultados, apresentado como capa no Journal of Physical Chemistry B , ajudar a lançar luz sobre a química fundamental em ação em resíduos de tanques legados, que é especialmente difícil de processar devido à presença de soluções imprevisíveis com baixo teor de água ou "água com sal".

"Notavelmente, essas soluções eletrolíticas são capazes de manter um estado líquido em concentrações de sal muito altas; mas como resultado, eles não se movem livremente como o normal, mais líquidos diluídos, "disse o geoquímico do ORNL Hsiu-Wen Wang, que liderou a pesquisa de espalhamento de nêutrons realizada no estudo.

As soluções de água com sal são caracterizadas por altas viscosidades que podem flutuar entre líquido e quase sólido, estados semelhantes a vidro, tornando-os difíceis de controlar. Em tanques de resíduos nucleares, essas soluções cáusticas podem entupir bombas e tubos, dificultando sua remoção para processamento.

Uma melhor compreensão da química fundamental desta classe incomum de líquidos poderia dar suporte a amplas aplicações para estabilizar essas soluções e informar estratégias de limpeza para resíduos de tanques legados acumulados durante os anos 1940-1980.

Site Hanford do DOE em Washington, por exemplo, gerou bilhões de galões de líquidos contaminados durante mais de 40 anos de suas operações da era Atômica. As "fazendas de tanques" do local são um dos itens mais difíceis e caros da agenda do programa de limpeza ambiental do DOE.

"A remediação dos resíduos é complicada pelas propriedades químicas exclusivas deste tipo de complexo, ambiente altamente concentrado, com a radioatividade criando desafios adicionais, "disse Andrew Stack da Divisão de Ciências Químicas do ORNL." Ao trabalhar para entender o que está acontecendo em um nível atômico em soluções complexas, podemos prever melhor suas propriedades e sua reatividade, e isso pode levar a melhores estratégias para processar o lixo nuclear. "

Apoiado por IDREAM (Dinâmica Interfacial em Ambientes e Materiais Radioativos), um DOE Energy Frontier Research Center, os pesquisadores estudaram uma salmoura sintética não radioativa de hidróxido de sódio-aluminato (Na + OH– / Al (OH) 4–).

A mistura está presente em concentrações mais diluídas nos tanques de resíduos de Hanford, junto com várias outras soluções de eletrólitos que se comportam de forma semelhante.

Em um copo de água em temperatura ambiente, as moléculas de água migram em picossegundos. Contudo, nas soluções estudadas, pesquisadores descobriram que esses movimentos são 10 a 100 vezes mais lentos, dependendo da concentração de sal.

Essencialmente, as moléculas de água são "aprisionadas" ou rodeadas por íons em uma sopa complexa de movimentos interconectados. "Para um íon se mover, muitas outras moléculas e íons precisam se mover, o que torna a dinâmica interessante, "disse Wang.

Apesar da natureza lenta das soluções de água com sal, disse Stack, "muitos tipos diferentes de movimentos simultâneos - alguns rápidos e outros lentos - estão ocorrendo no nível atômico."

Para entender esses movimentos atômicos rápidos e lentos, pesquisadores voltaram-se para recursos experimentais em duas instalações do usuário do DOE Office of Science, a Spallation Neutron Source no ORNL e o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do PNNL.

A equipe conduziu espalhamento quase elástico de nêutrons (QENS) em ORNL e espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) em PNNL. Usados ​​juntos, A espectroscopia QENS e NMR pode fornecer perspectivas alternativas sobre a maneira como os átomos se reorientam e se espalham por uma solução.

"A espectroscopia de NMR revela o movimento dos átomos ao longo de muitos milissegundos, enquanto o QENS captura o movimento atômico durante picossegundos, "disse Trent Graham, que realizaram a espectroscopia de RMN no estudo. "Em combinação, essas duas técnicas fornecem dados complementares em várias escalas de tempo, o que é fundamental para compreender os movimentos complexos dos íons nas soluções que estamos estudando. "

Com o instrumento BASIS em ORNL, a equipe usou nêutrons para coletar informações exclusivas não obtidas por outras técnicas.

"Os nêutrons são adequados para análise de sistemas à base de água, uma vez que fornecem um contraste favorável para átomos fracos, como hidrogênio, não é facilmente visto por raios-X; e QENS é uma técnica específica que envolve o uso de nêutrons para correlacionar informações espaciais e temporais sobre átomos, "disse o cientista de instrumentos do BASIS, Eugene Mamontov.

"Os átomos mudam de posição conforme a água se move, e o QENS pode dizer não apenas a taxa ou a rapidez com que os saltos ocorrem, mas também a que distância e como esses detalhes correspondem à estrutura química, "disse Mamontov.

Combinar dinâmica com análise estrutural é um objetivo da pesquisa. Os dados experimentais foram comparados com simulações de dinâmica molecular realizadas no Oak Ridge Leadership Computing Facility, um recurso de usuário DOE em ORNL, em um estudo complementar sobre a estrutura do Na ⁺ OH ^- / Al (OH) ₄ ^- .

O artigo do jornal é publicado como "Dinâmica Multimodal Acoplada de Redes de Íons Contendo Hidrogênio em Deficiência de Água, Soluções de hidróxido de sódio-aluminato. "