"Ainda há muitas perguntas a serem respondidas na química do urânio, particularmente no contexto do ciclo do combustível nuclear; mas quando os pesquisadores combinam suas habilidades e conhecimentos, soluções pioneiras e significativas podem ser encontradas, "disse o Dr. Zhaoming Zhang, Cientista Principal de Pesquisa, Ciclo de combustível nuclear, ANSTO.

A experiência considerável da ANSTO na caracterização de compostos contendo urânio contribuiu para uma nova investigação sistemática das origens das distorções estruturais atômicas em uma família de compostos actinídeos.

Esses compostos são conhecidos como óxidos de urânio ternários (três partes) de metais mistos relacionados ao rutilo. Rutilo se refere a compostos minerais compostos principalmente de dióxido de titânio.

Em pesquisa publicada em Química Inorgânica , uma grande equipe de pesquisadores usou radiação de nêutrons e síncrotron e cálculos teóricos para estabelecer estruturas cristalinas sistematicamente precisas e precisas e estados de oxidação de urânio nos sistemas de óxido de urânio ternário de metal misto relacionado ao rutilo.

"Esses compostos são relevantes para o combustível nuclear usado, mas a pesquisa também é importante para a ciência mineral de urânio, uma vez que alguns dos óxidos de urânio ternários foram encontrados na natureza, "disse Zhang, o autor principal da ANSTO.

O urânio e os compostos de urânio de metal misto têm uma química única e complexa, bem como radioatividade, que requer tratamento especial.

É importante compreender a variação no comportamento atômico e na estrutura do cristal, pois estes estão intimamente relacionados às propriedades do material, particularmente aqueles relevantes para o combustível nuclear usado.

"Com base em estudos anteriores, a estrutura cristalina de todos os óxidos de urânio ternário de metal misturado, AUO4, é predominantemente ditado pelo tamanho relativo dos íons A e U. Contudo, há alguma controvérsia no grupo espacial correto, que descreve a simetria na estrutura cristalina, a um determinado óxido de urânio ternário de metal relacionado ao rutilo (β-CdUO4), que inicialmente nos motivou a iniciar a investigação atual, "explicou o Dr. Zhang.

E embora as investigações de alguns desses materiais datem do Projeto Manhattan, o avanço moderno nas técnicas de caracterização nos permitiu abordar as lacunas no conhecimento de seu comportamento químico complexo.

Esta investigação foi iniciada durante o doutorado. trabalho do primeiro autor, Dr. Gabriel Murphy, agora no Instituto de Gerenciamento de Resíduos Nucleares e Segurança do Reator, Forschungszentrum Jülich, Alemanha, que foi supervisionado por Zhang na ANSTO e pelo Prof Brendan Kennedy na Universidade de Sydney.

Murphy's Ph.D. tese explorou e elucidou a química da matéria condensada do urânio em alguns óxidos de urânio ternários de metais mistos e desvendou algumas propriedades notáveis, por exemplo., identificar a transformação de ordenação de defeito de oxigênio reversível e redução de simetria com aquecimento em α-SrUO4-x.

Os investigadores do estudo atual usaram uma combinação de raios-X de alta resolução e difração de nêutrons, Espectroscopia de absorção de raios-X perto da estrutura da borda (XANES), e cálculos teóricos para compreender as distorções estruturais que ocorrem nos óxidos de urânio ternários de metais mistos relacionados com rutilo, AUO ₄ .

Foi descoberto que as distorções se manifestam na inclinação das unidades poliédricas AO6 na estrutura, como resultado da incompatibilidade de tamanho entre os cátions A e U. A evolução do ângulo de inclinação também pode ser usada para prever transformações de fase entre diferentes grupos espaciais.

"Embora a inclinação poliédrica tenha sido relatada anteriormente em outros óxidos de metal mistos, é a primeira aplicação do fenômeno a óxidos de urânio metálicos mistos, "disse Zhang.

Os investigadores também destacaram os desafios e limitações associados à aplicação de códigos computacionais de urânio padrão a óxidos de urânio metálicos misturados. Esses códigos são cruciais, por exemplo, na previsão de relações estrutura-propriedade em combustível nuclear ou produtos de óxido de urânio de metal misto de revestimento de combustível, onde estes são freqüentemente muito difíceis de estudar usando métodos experimentais.

Os pesquisadores, conseqüentemente, fornecem uma abordagem corretiva para isso e para ajudar a orientar estudos futuros de materiais de óxido de urânio de metal misturado.

Este trabalho foi o resultado de uma colaboração de longo prazo entre cientistas australianos e alemães, que incluiu Drs Max Avdeev, Eugenia Kuo e Daniel Gregg da ANSTO.

Os autores agradeceram ao Dr. Chris Griffith, da unidade de negócios Minerais da ANSTO, por seu apoio no manuseio de materiais radioativos, possibilitando ainda mais este trabalho.

"Ainda há muitas perguntas a serem respondidas na química do urânio, particularmente no contexto do ciclo do combustível nuclear, mas quando os pesquisadores combinam suas habilidades e conhecimentos, soluções pioneiras e significativas podem ser encontradas, "disse Zhang.