Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory usaram o supercomputador mais rápido do país para mapear as vibrações moleculares de um composto de urânio importante, mas pouco estudado, produzido durante o ciclo do combustível nuclear para obter resultados que poderiam levar a um mundo mais limpo e seguro.
O estudo de pesquisadores do ORNL, Savannah River National Laboratory e da Colorado School of Mines usou simulações realizadas no supercomputador Summit do ORNL e experimentos de espectroscopia de nêutrons de última geração realizados na Spallation Neutron Source para identificar as principais características espectrais do hidrato de tetrafluoreto de urânio , ou UFH, um subproduto pouco estudado do ciclo do combustível nuclear. As descobertas podem permitir uma melhor detecção desse poluente ambiental e uma melhor compreensão de como as condições ambientais influenciam o comportamento químico dos materiais do ciclo do combustível.

"Neste tipo de trabalho, não temos o luxo de escolher com que tipos de materiais trabalhamos", disse Andrew Miskowiec, físico do ORNL e principal autor do estudo, publicado no The Journal of Physical Chemistry C . "Muitas vezes lidamos com pequenas quantidades ou mesmo apenas partículas de subprodutos e materiais degradados que ninguém pretendia fazer de compostos sobre os quais não sabemos muito. Precisamos saber:se encontramos esse material em campo, como reconheceríamos isso?"

A UFH se forma quando o tetrafluoreto de urânio, um sal radioativo usado rotineiramente na produção de urânio metálico, começa a se decompor após imersão em água por 12 horas ou mais. Embora os cientistas tenham estudado o urânio e seu poder de dividir o átomo por quase um século, a maioria desses estudos se concentrou em resultados intencionais, em vez de subprodutos não intencionais como a HNF.

"Desde a Segunda Guerra Mundial até a Guerra Fria, temos décadas de estudo, mas a principal preocupação era fazer as coisas funcionarem do ponto de vista da produção, como construir bombas e alimentar reatores", disse Miskowiec. "UFH não foi considerado valioso para esses propósitos. Isso significa que não foi estudado tão de perto e não é tão bem compreendido. Precisamos saber o máximo que pudermos sobre esses materiais para saber o que procurar quando nós os descobrimos na natureza."

Cada uma das várias formas moleculares do urânio sofre um conjunto único de vibrações, criadas pelo movimento dinâmico de seus átomos, que podem atuar como uma assinatura se os cientistas souberem o que procurar. A equipe de pesquisa usou o VISION, o espectrômetro de espalhamento inelástico de nêutrons de maior resolução do mundo no SNS, para bombardear amostras com nêutrons, monitorar a energia perdida ou ganha e capturar toda a gama de vibrações do UFH.

"Para outras técnicas comuns de caracterização, teríamos que dissolver ou destruir a amostra para estudá-la", disse Ashley Shields, químico computacional do ORNL e coautor do estudo. "Se não tivermos uma amostra grande para começar, definitivamente não queremos destruí-la antes de extrair o máximo de informações possível. A espectroscopia nos dá uma maneira de coletar dados e preservar a amostra para análise posterior."

Os métodos convencionais de dispersão dependem de fótons ou elétrons, que interagem com a camada externa de um átomo e capturam apenas uma porção limitada da ampla gama de vibrações entre os átomos em um composto de urânio. Isso não é um problema para os nêutrons, que penetram até o núcleo de um átomo.

"Os nêutrons são sensíveis a todos os átomos na estrutura do composto, então obtemos todo o espectro vibracional", disse Miskowiec. “Esses instrumentos extraordinários no SNS nos deram uma enorme quantidade de dados e agora precisávamos de uma maneira de interpretá-los”.

A equipe recebeu uma alocação de tempo no Summit, o sistema de supercomputação IBM AC922 de 200 petaflops do Oak Ridge Leadership Computing Facility, por meio do Leadership Computing Challenge do Departamento de Energia dos EUA. Eles usaram a teoria do funcional da densidade, uma abordagem da mecânica quântica para estimar a estrutura dos materiais, para modelar as propriedades do UFH.

A combinação de detalhes capturados pelo VISION e a interpretação de cálculos de teoria funcional de densidade em larga escala e altamente precisos possibilitados pelo Summit renderam a primeira imagem completa do espectro vibracional completo do UFH para novos insights sobre a estrutura atômica do composto.

"Estas são estruturas extremamente grandes e intrincadas, com muitos átomos vibrando constantemente em todas as direções com muito pouca simetria", disse Shields. "Cada quebra na simetria requer mais cálculos, aumentando o tempo de computação necessário para determinar as propriedades vibracionais. Esses cálculos nos permitem visualizar que tipos de vibrações são essas, como é o movimento, quais átomos estão participando e causando cada vibração, e com que frequência."

A equipe usou os dados para comparar o espectro vibracional calculado com o experimental medido no SNS, permitindo a identificação em nível atômico de características espectrais nos dados experimentais. O estudo exigiu mais de 115.000 horas de nó para renderizar os resultados.

"Sem a Summit, esses cálculos não poderiam ter sido feitos", disse Shields. "Há uma diversidade de movimento acontecendo na estrutura atômica que podemos descobrir computacionalmente que simplesmente não podemos capturar de outra maneira."

Estudos futuros se basearão nas descobertas para explorar a estabilidade do UFH.

"Agora temos uma melhor capacidade de identificar este material no campo, e os resultados serão fundamentais para a compreensão de outros aspectos ambientais do ciclo do combustível", disse Miskowiec. + Explorar mais

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