Lors de l'étude d'échantillons de sols contaminés hérités de l'enclos à déchets de l'usine de finition de plutonium sur le site de Hanford (Richland, WASHINGTON), Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont localisé et extrait de minuscules cristaux contenant du plutonium. Comment, se demandaient-ils, les cristaux se sont-ils formés ?

Pour comprendre l'histoire des cristaux, les chercheurs doivent d'abord comprendre leur structure chimique, également connu sous le nom de spéciation. Parce que le plutonium peut agir très différemment selon la façon dont il se combine avec d'autres éléments, connaître la spéciation des cristaux est un élément essentiel du stockage sûr et de l'assainissement de l'environnement. Ces activités sont des éléments clés de la mission de nettoyage du département américain de l'Énergie sur les anciens sites et installations de traitement des matières nucléaires. Des études antérieures ont montré que ces particules étaient principalement du dioxyde de plutonium, mais des questions subsistaient quant à la présence d'autres espèces de plutonium dans le sol.

Les chercheurs du PNNL ont créé une nouvelle méthode pour déterminer la spéciation des microcristaux, détaillé dans le Journal de cristallographie appliquée . Combinant des techniques expertes avec des instruments de laboratoire standard, la méthode cartographie la structure de ces microcristaux de plutonium, un atome à la fois, révélant la structure de certains des plus petits cristaux contenant du plutonium jamais analysés en laboratoire.

Plus petit qu'une étincelle dans le sable

Les minuscules cristaux de plutonium, presque impossible à distinguer des morceaux de silicium et d'autres minéraux qui les entourent, ont été identifiés dans les échantillons de sol de crib par le radiochimiste du PNNL Dallas Reilly à l'aide d'un microscope électronique à balayage à faisceau d'ions focalisé. Parfois en forme de cube, les cristaux peuvent être aussi petits que deux microns de chaque côté, ou facette. Un grain de sel de table mesure environ une centaine de microns par facette. Une particule de talc mesure dix microns.

"J'ai été surpris que les particules soient cristallines à cette taille, " a déclaré Reilly. " La plupart du plutonium que j'ai vu sur les sites de stockage à Hanford provient de déchets retraités de l'usine de finition de plutonium, soit des particules non dissoutes provenant du traitement ou de la combustion des métaux, ou reprécipité à partir de la solution de recyclage sous forme de particules polycristallines. Il est difficile de former des particules d'oxyde de plutonium cristallin en laboratoire, Donc, voir des monocristaux se former dans le cadre de ce processus ou d'un processus naturel que l'environnement a stimulé est vraiment fascinant. »

Les cristaux inattendus ont donné aux chercheurs l'occasion de répondre aux questions que les scientifiques du traitement des matières nucléaires se posent depuis des décennies. La spéciation est-elle plus ou moins complexe dans une particule individuelle que dans la masse ? Ces cristaux sont-ils associés à des éléments comme le phosphore qui ont pu être présents lors du traitement ? Et, si des particules métalliques de plutonium sont exposées à de l'oxygène à haute température, la couche externe de plutonium s'oxyde-t-elle alors que le métal interne reste intact, un peu comme la rouille se forme sur l'acier?

Les chercheurs n'ont pas de réponse complète à ces questions en grande partie parce que les outils d'analyse de matières nucléaires courants à cette échelle reposent sur des échantillons dissous. Ces outils se concentrent sur les ratios d'isotopes et sont incapables de fournir des données structurelles, telles que les positions relatives des atomes et la façon dont ils sont liés entre eux.

Elargir les limites en laboratoire de l'analyse du traitement des matières nucléaires

Le chimiste inorganique du PNNL Jordan Corbey est un expert en diffraction des rayons X sur monocristal (SCXRD), l'une des seules techniques non destructives pouvant déterminer la structure chimique d'un cristal. Les cristaux sont constitués d'atomes régulièrement espacés, de sorte que les faisceaux de rayons X traversent le cristal, la lumière se diffuse selon des motifs réguliers.

Corbey analyse ces modèles pour mesurer la distance entre les atomes, créer une carte 3-D des unités répétitives dans le réseau cristallin. La carte est suffisamment détaillée pour pouvoir distinguer les différentes espèces chimiques qui composent le solide étendu.

Extraire une particule de plutonium d'un échantillon de sol est une tâche difficile, compte tenu non seulement de la radioactivité de ces cristaux, mais aussi de leur petite taille. Pour compliquer encore les choses, les chercheurs recherchaient spécifiquement le pur, cristaux indépendants dans le mélange de nombreux autres composés présents dans le sol de la crèche.

"Analyser plus d'un cristal à la fois complique les données, " dit Corbey. " Avec un bon, monocristal, Je peux vous dire le nombre d'atomes d'oxygène liés à chaque atome de plutonium et comment ils partagent les électrons."

Mais l'analyse des cristaux de plutonium n'était pas simple. SCXRD nécessite généralement des cristaux beaucoup plus gros que les grains de plutonium du site de Hanford. L'équipe ne savait pas si la technique serait utile pour ces petits échantillons environnementaux.

Une preuve de concept à l'uranium

Avant de tenter d'analyser les particules de plutonium à l'aide de SCXRD, l'équipe a commencé avec des cristaux d'oxyde d'uranium-238 qu'ils ont broyés en une série de cubes plus petits via un microscope électronique à balayage à faisceau d'ions focalisé. L'uranium-238 est beaucoup moins radioactif que le plutonium et a moins d'arrangements structurels possibles.

L'équipe a systématiquement sondé la structure de chaque cristal d'uranium pour prouver qu'elle pouvait cartographier avec précision les atomes dans des cristaux de plus en plus petits. Commençant par un cristal d'uranium en vrac avec des facettes de la taille d'un ongle, ils sont descendus jusqu'à un grain d'oxyde d'uranium pas plus gros qu'un globule rouge moyen.

Avec une preuve de concept réussie de leurs tests d'uranium, l'équipe a utilisé SCXRD pour identifier définitivement les cristaux dans leur échantillon de sol de crèche comme étant du dioxyde de plutonium. Cette confirmation pourrait aider les experts de l'assainissement à Hanford dans leurs efforts pour confiner en toute sécurité les déchets de plutonium hérités, y compris les cristaux.

« Ce type de travail consiste à établir un échéancier, " a déclaré Reilly. "Avec des matières nucléaires telles que ces particules, nous demandons 'comment est-il arrivé ici?' pour comprendre l'historique du traitement des implications pour la sécurité nationale, ainsi que « où va-t-il ? » pour comprendre les implications environnementales. Découvrir la spéciation et la structure chimiques peut aider à répondre aux deux questions. »

Les universités et autres centres de recherche dont les limites radiologiques sont inférieures à celles du PNNL pourraient utiliser la méthode de l'équipe pour étudier une multitude de matières radioactives, y compris des éléments plus lourds comme l'américium, qui ne peuvent être manipulés qu'en quantités prohibitives.

Puisque les cristaux étudiés par Corbey et Reilly ne constituent qu'une petite partie du sol de crib analysé, il y a encore du travail à faire. Comme l'a dit Corbey, "Nous voulons déterminer dans quelle mesure un point est représentatif des autres particules de l'échantillon."

Différentes structures cristallines sont associées à différentes activités de traitement des matières nucléaires. La forme d'un cristal pourrait révéler quelque chose sur le récipient dans lequel il s'est formé, comment il a été mélangé, ou quoi d'autre était présent lors de sa création. Chaque nouveau cristal cartographié est un autre pas en avant dans la quête pour mieux comprendre à la fois le traitement des matières nucléaires et améliorer l'assainissement de l'environnement.

Les échantillons proviennent du caisson à déchets 216-Z-9 du site Hanford et ont été recueillis lors d'activités d'excavation et d'exploitation minière au milieu des années 1970. Ce berceau a reçu des déchets de l'usine de finition de plutonium, également connu sous le nom de Z-Plant et Building 234-5.