"Il y a encore beaucoup de questions sans réponse dans la chimie de l'uranium, notamment dans le cadre du cycle du combustible nucléaire; mais lorsque les chercheurs combinent leurs compétences et leur expertise, des solutions pionnières et significatives peuvent être trouvées, " a déclaré le Dr Zhaoming Zhang, Chercheur principal, Cycle du combustible nucléaire, ANSTO.

L'expertise considérable de l'ANSTO dans la caractérisation des composés contenant de l'uranium a contribué à une nouvelle enquête systématique sur les origines des distorsions structurelles atomiques dans une famille de composés actinides.

Ces composés sont connus sous le nom d'oxydes d'uranium ternaires métalliques mixtes (trois composants) apparentés au rutile. Le rutile fait référence à des composés minéraux composés principalement de dioxyde de titane.

Dans une recherche publiée dans Chimie inorganique , une grande équipe de chercheurs a utilisé à la fois le rayonnement neutronique et synchrotron et des calculs théoriques pour établir des structures cristallines et des états d'oxydation de l'uranium systématiquement précis et précis dans les systèmes d'oxyde d'uranium ternaire à métaux mixtes liés au rutile.

"Ces composés sont pertinents pour le combustible nucléaire usé, mais la recherche est également importante pour la science des minéraux de l'uranium, puisque certains des oxydes ternaires d'uranium ont été trouvés dans la nature, " dit Zhang, l'auteur principal de l'ANSTO.

L'uranium et les composés d'uranium métalliques mixtes ont une chimie unique et complexe, ainsi que la radioactivité, qui nécessite une manipulation particulière.

Il est important de comprendre la variation du comportement atomique et de la structure cristalline car ceux-ci sont intimement liés aux propriétés des matériaux, en particulier celles qui concernent le combustible nucléaire usé.

« Sur la base d'études antérieures, la structure cristalline de tous les oxydes d'uranium ternaires métalliques mixtes, AUO4, est principalement dictée par la taille relative des ions A et U. Cependant, il y a un conflit dans le bon groupe d'espaces, qui décrit la symétrie dans la structure cristalline, à un oxyde d'uranium ternaire métallique mixte apparenté au rutile (β-CdUO4), qui nous a initialement motivés à lancer l'enquête en cours, " a expliqué le Dr Zhang.

Et bien que les enquêtes sur certains de ces matériaux remontent au projet Manhattan, les progrès modernes dans les techniques de caractérisation nous ont permis de combler les lacunes dans la connaissance de leur comportement chimique complexe.

Cette enquête a été initiée au cours de la thèse. oeuvre du premier auteur, Dr Gabriel Murphy, maintenant à l'Institut de la gestion des déchets nucléaires et de la sûreté des réacteurs, Forschungszentrum Jülich, Allemagne, qui était supervisé par Zhang à l'ANSTO et le professeur Brendan Kennedy à l'Université de Sydney.

Le doctorat de Murphy la thèse a exploré et élucidé la chimie de la matière condensée de l'uranium dans certains oxydes d'uranium ternaires mixtes et a révélé des propriétés remarquables, par exemple., identification de l'ordre réversible des défauts d'oxygène et de la transformation d'abaissement de la symétrie avec chauffage dans α-SrUO4-x.

Les chercheurs de la présente étude ont utilisé une combinaison de diffraction des rayons X et des neutrons à haute résolution, Spectroscopie XANES (Absorption Near Edge Structure), et des calculs théoriques pour comprendre les distorsions structurelles se produisant dans les oxydes d'uranium ternaires métalliques mixtes liés au rutile, AUO 4 .

Il a été découvert que les distorsions se manifestent dans l'inclinaison des unités polyédriques AO6 dans la structure, en raison de la différence de taille entre les cations A et U. L'évolution de l'angle d'inclinaison peut également être utilisée pour prédire les transformations de phase entre différents groupes spatiaux.

"Bien que l'inclinaison polyédrique ait déjà été signalée dans d'autres oxydes métalliques mixtes, c'est la première application du phénomène aux oxydes métalliques mixtes d'uranium, " dit Zhang.

Les enquêteurs ont également souligné de manière importante les défis et les limites associés à l'application de codes de calcul standard de l'uranium aux oxydes d'uranium métalliques mixtes. De tels codes sont cruciaux, par exemple dans la prédiction des relations structure-propriétés dans le combustible nucléaire ou les produits d'oxyde d'uranium métalliques mixtes de gaine de combustible, où ceux-ci sont souvent trop difficiles à étudier à l'aide de méthodes expérimentales.

Les enquêteurs proposent par conséquent une approche corrective pour cela et pour aider à orienter les futures études sur les matériaux d'oxyde d'uranium métalliques mixtes.

Ce travail est le résultat d'une collaboration à long terme entre des scientifiques australiens et allemands, qui comprenait les Drs Max Avdeev, Eugenia Kuo et Daniel Gregg de l'ANSTO.

Les auteurs ont remercié le Dr Chris Griffith de l'unité commerciale Minéraux de l'ANSTO pour son soutien à la manipulation des matières radioactives permettant davantage ce travail.

« Il reste encore beaucoup de questions sans réponse en chimie de l'uranium notamment dans le cadre du cycle du combustible nucléaire, mais lorsque les chercheurs combinent leurs compétences et leur expertise, des solutions pionnières et significatives peuvent être trouvées, " dit Zhang.