Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, Le Pacific Northwest National Laboratory et la Washington State University se sont associés pour étudier la dynamique complexe des liquides à faible niveau d'eau qui remettent en cause le traitement des déchets nucléaires sur les sites de nettoyage fédéraux.

Les résultats, présenté comme une couverture dans le Journal de chimie physique B , aider à faire la lumière sur la chimie fondamentale à l'œuvre dans les déchets des anciens réservoirs, qui est particulièrement difficile à traiter en raison de la présence de solutions imprévisibles à faible teneur en eau ou "eau dans le sel".

"Remarquablement, ces solutions électrolytiques sont capables de maintenir un état liquide à des concentrations en sel très élevées; mais en conséquence, ils ne bougent pas librement comme d'habitude, plus de liquides dilués, " a déclaré le géochimiste de l'ORNL Hsiu-Wen Wang, qui a dirigé les recherches sur la diffusion des neutrons effectuées dans le cadre de l'étude.

Les solutions eau-dans-sel sont caractérisées par des viscosités élevées qui peuvent fluctuer entre liquide et quasi-solide, états vitreux, les rendant difficiles à contrôler. Dans les réservoirs de déchets nucléaires, ces solutions caustiques peuvent obstruer les pompes et les canalisations, empêchant leur enlèvement pour traitement.

Une meilleure compréhension de la chimie fondamentale de cette classe inhabituelle de liquides pourrait prendre en charge de larges applications pour stabiliser ces solutions et éclairer les stratégies de nettoyage des déchets de réservoirs accumulés au cours des années 1940-1980.

Le site Hanford du DOE à Washington, par exemple, généré des milliards de gallons de liquides contaminés pendant plus de 40 ans de ses opérations à l'ère atomique. Les "fermes de réservoirs" du site sont l'un des points à l'ordre du jour les plus difficiles et les plus coûteux du programme de nettoyage environnemental du DOE.

« La dépollution des déchets est compliquée par les propriétés chimiques uniques de ce type de complexe, environnement très concentré, la radioactivité créant des défis supplémentaires, " a déclaré Andrew Stack de la division des sciences chimiques de l'ORNL. " En travaillant pour comprendre ce qui se passe au niveau atomique dans les solutions complexes, on peut mieux prédire leurs propriétés et leur réactivité, et cela peut conduire à de meilleures stratégies de traitement des déchets nucléaires. »

Soutenu par IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), un centre de recherche DOE Energy Frontier, les chercheurs ont étudié une saumure synthétique non radioactive d'hydroxyde de sodium-aluminate (Na+OH–/Al(OH)4–).

Le mélange est présent en concentrations plus diluées dans les réservoirs de déchets de Hanford, ainsi que plusieurs autres solutions électrolytiques qui se comportent de manière similaire.

Dans un verre d'eau à température ambiante, les molécules d'eau migrent en picosecondes. Cependant, dans les solutions étudiées, les chercheurs ont découvert que ces mouvements étaient 10 à 100 fois plus lents, en fonction de la concentration en sel.

Essentiellement, les molécules d'eau sont "piégées" ou entourées d'ions dans une soupe complexe de mouvements interconnectés. "Pour qu'un ion bouge, beaucoup d'autres molécules et ions doivent se déplacer, ce qui rend la dynamique intéressante, " dit Wang.

Malgré la lenteur des solutions eau-dans-sel, dit Stack, "de nombreux types de mouvements simultanés, certains rapides et d'autres lents, ont lieu au niveau atomique."

Pour comprendre ces mouvements atomiques rapides et lents, les chercheurs se sont tournés vers les capacités expérimentales de deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science, la source de neutrons de spallation à l'ORNL et le laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement au PNNL.

L'équipe a réalisé la diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) à l'ORNL et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) au PNNL. Utilisé ensemble, La spectroscopie QENS et RMN peut fournir des perspectives alternatives sur la façon dont les atomes se réorientent et se propagent dans une solution.

"La spectroscopie RMN révèle le mouvement des atomes sur plusieurs millisecondes, tandis que QENS capture le mouvement atomique sur des picosecondes, " a déclaré Trent Graham, qui a effectué la spectroscopie RMN dans l'étude. "En combinaison, ces deux techniques fournissent des données complémentaires à plusieurs échelles de temps, ce qui est essentiel pour comprendre les mouvements complexes des ions dans les solutions que nous étudions."

Avec l'instrument BASIS à l'ORNL, l'équipe a utilisé des neutrons pour collecter des informations uniques impossibles à obtenir par d'autres techniques.

"Les neutrons sont bien adaptés à l'analyse des systèmes à base d'eau, puisqu'ils offrent un contraste favorable pour les atomes faibles, comme l'hydrogène, pas facilement visible par les rayons X; et QENS est une technique spécifique impliquant l'utilisation de neutrons pour corréler des informations spatiales et temporelles sur les atomes, " a déclaré Eugene Mamontov, spécialiste des instruments BASIS.

"Les atomes changent de position au fur et à mesure que l'eau se déplace, et QENS peut vous dire non seulement la vitesse ou à quelle vitesse les sauts se produisent mais aussi à quelle distance et comment ces détails correspondent à la structure chimique, " dit Mamontov.

La combinaison de la dynamique avec l'analyse structurelle est un objectif de la recherche. Les données expérimentales ont été comparées aux simulations de dynamique moléculaire réalisées à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation d'utilisateurs du DOE à l'ORNL, dans une étude complémentaire sur la structure de Na ⁺ OH ^– /Al(OH) 4 ^- .

L'article de revue est publié sous le titre "Coupled Multimodal Dynamics of Hydrogen-Containing Ion Networks in Water-Deficient, Solutions d'hydroxyde de sodium-aluminate."