Montanhas. Contêineres de transporte. A superfície de Marte.

Há momentos em que é complicado ou impossível levar uma amostra a um laboratório para testar sua composição.

Isso é especialmente verdadeiro quando se trata de detectar explosões contendo material nuclear. A detecção que pode ser feita rapidamente ou no local minimiza a exposição humana durante coletas perigosas ou análises laboratoriais.

Contudo, a natureza da química nuclear - particularmente a oxidação, a forma como o urânio interage com o oxigênio durante uma explosão nuclear - é amplamente desconhecida, deixando lacunas em nossa capacidade de identificar com precisão as atividades nucleares. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo físico do PNNL Sivanandan S. Harilal está trabalhando para expandir nossa compreensão da química do urânio usando uma ferramenta surpreendente:os lasers.

O método, detalhado em um artigo recente no Journal of Analytical Atomic Spectrometry, mostra como medir a luz produzida em plasmas feitos de um laser pode ser usada para entender a oxidação do urânio em bolas de fogo nuclear. Essa capacidade fornece uma visão nunca antes vista sobre a oxidação da fase gasosa do urânio durante as explosões nucleares. Essas percepções progridem ainda mais em direção a um método sem contato para detecção remota de elementos de urânio e isótopos, com implicações para as salvaguardas de não proliferação, monitoramento de explosão e verificação de tratado.

Plasmas de não proliferação

Uma pulsante, rápido como relâmpago laser explode em um material sólido e excita os átomos para que eles vaporizem em um minúsculo, pluma de plasma de cores vivas. A reação quando os átomos saltam para esta pluma de plasma superquente emite luz que os pesquisadores podem capturar e estudar usando espectroscopia óptica.

Plasmas feitos de diferentes elementos em diferentes temperaturas emitem diferentes comprimentos de onda de luz, cada um dos quais produz uma cor distinta. Assim, a cor do plasma na chama de uma vela é diferente do plasma feito em um letreiro de néon, ou a pluma microscópica de plasma que Harilal e sua equipe geram para estudar o urânio.

As cores distintas da luz emitida por um plasma são as mesmas, não importa quanto de um material seja transformado em plasma. O plasma produzido por laser de urânio (LPP) de Harilal é feito de uma quantidade tão pequena de material nuclear que o método pode ser considerado não destrutivo. Mesmo assim, as medições de luz que os pesquisadores obtêm do LPP são semelhantes às reações na bola de fogo produzida durante uma explosão nuclear.

"É uma questão de escala, "diz Harilal." Os lasers criam a mesma química da bola de fogo que acontece em uma explosão nuclear, para que possamos estudar a química e como ela reage às diferentes condições ambientais. É pequeno, mas a luz é boa. Podemos coletá-lo sem problemas. "

Vendo a luz no LPP

Embora a luz de plasmas seja fácil de coletar, a diferença nos comprimentos de onda da luz que as moléculas específicas emitem é mais difícil de decifrar. E o urânio é tão reativo com o oxigênio na bola de fogo da explosão que cria muitas combinações diferentes de óxido de urânio. Essas combinações moleculares podem estar em qualquer lugar de um átomo de urânio emparelhado com um único átomo de oxigênio, a vários átomos de urânio ligados a até oito átomos de oxigênio.

Várias espécies de urânio complicam imediatamente como a espectroscopia decifra a coleta simples de luz. Essas espécies de urânio emitem luz em um espectro de cores tão estreito, com diferenças tão pequenas nos comprimentos de onda que cada comprimento de onda está apenas começando a ser correspondido com sua respectiva transição de óxido de urânio.

Os pesquisadores ampliaram o estreito espectro de comprimentos de onda usando filtros de banda estreita que a equipe havia desenvolvido anteriormente. Esses filtros de banda estreita funcionam isolando a luz emitida em comprimentos de onda específicos, de modo que apenas os comprimentos de onda associados a espécies específicas sejam coletados e analisados.

Um filtro mediu apenas urânio atômico, e outro óxido de urânio medido no plasma durante os pulsos de laser. A equipe então mediu a luz emitida pelo plasma à medida que aumentava o oxigênio no ambiente, assistindo para ver como a química mudou na presença de mais oxigênio.

Usando instantâneos precisamente cronometrados do plasma (chamados de imagem fast-gated), Harilal e sua equipe observaram diretamente como o monóxido de urânio e os átomos de urânio se moviam através do LPP ao longo do tempo e por localização. Isso permitiu que vissem como e onde as espécies foram formadas e como persistiram à medida que a pluma de plasma se expandia e se dissipava.

Comprimentos de onda para não proliferação

A equipe descobriu que os óxidos de urânio são formados mais longe do alvo, onde temperaturas mais baixas favorecem a recombinação molecular. Os óxidos de urânio também se formam em momentos posteriores da vida do plasma. Quando mais oxigênio está presente, os plasmas não duram tanto.

Compreender a evolução dos átomos de urânio para monóxido de urânio para óxidos superiores é fundamental para a modelagem preditiva de eventos de explosão. Preciso, modelos validados experimentalmente significam monitoramento de não proliferação nuclear mais eficaz e melhor compreensão geral da química do urânio.

Além de ajudar os pesquisadores a entender melhor a química do plasma de urânio, as técnicas baseadas em laser utilizadas neste trabalho também estão em desenvolvimento para campo, monitoramento remoto de não proliferação também. Uma vez que a ablação a laser acoplada à espectroscopia de emissão óptica mede a luz emitida por um plasma, a coleta de dados pode ser feita de um cofre, distância de afastamento que não requer manipulação de amostra. Esta técnica tem implicações para o monitoramento forense e de salvaguardas nucleares.