Плутоний Фундаментальные проблемы Том 2 - Надыкто Б.А.
Скачать (прямая ссылка):
С использованием акваионов плутония мы определили основные данные и тенденции окислительных состояний, необходимые для определения окисли-
тельных состоянии комплексов плутония в матрицах неизвестного состава. Имея такие основополагающие данные, мы можем применять спектроскопию ТСРП как средство для получения характеристик плутония и других форм актиноидов в окружающей среде и в отходах, накопленных в течение 50 лет производства ядерного оружия. ¦
1 Спектр РТСРП является функцией энергии, и мы выполняем преобразование Фурье спектра, чтобы получить функцию радиальной структуры, которая является функцией расстояния R. Ho при этом преобразовании фактически получается функция %(/?+ф), где ф - фазовый сдвиг. При преобразовании Фурье, показанном на рис. 2, за счет фазового сдвига пики смещены примерно на - 0,5 А от истинных радиу-
сов оболочки. Для наглядного представления этого факта приведена зависимость радиальной структуры от (Я-ф).
Number 26 2000 Los Alamos Science
423
Методика ТСРП
С момента образования внутри ядерного топливного стержня и в течение всего последующего времени атомы плутония находятся в тесной связи с другими атомами. В твердом теле, например, плутоний становится частью решетки или матрицы, которая составляет конденсированную среду, тогда как в растворе элемент обычно образует крупные молекулярные комплексы, в которых многочисленные лиганды связаны с центральным ионом плутония. В значительной степени число, тип и размещение атомов или молекул, окружающих атом плутония, определяют его поведение. Следовательно, если мы хотим понять и контролировать поведение плутония в химических процессах, в природной среде или в находящемся на хранении ядерном оружии, нам нужно проникнуть в суть локальной структуры атомов, которые его окружают.
Спектроскопия тонкой структуры рентгеновского поглощения (ТСРП) является одним из наиболее мощных инструментальных средств для отображения локальной структуры. При использовании этого метода образец просвечивают рентгеновским излучением, настраиваемым на энергию оболочки электронов остова исследуемого элемента. Мы определяем степень поглощения рентгеновских лучей в зависимости от их энергии. При достаточной точности спектр демонстрирует небольшие колебания, которые являются результатом влияния локального окружения на основную вероятность поглощения элемента в мишени. Из спектра мы можем извлечь информацию о расстояниях между поглотителем и атомами, являющимися его ближайшими соседями, информацию о количестве и типе этих атомов, а также данные о состоянии окисления поглощающего элемента, т. е. все параметры, которые определяют локальную структуру. Выбирая различную энергию рентгеновского излучения, мы можем получить эту информацию для любого элемента в исследуемом образце.
Фундаментальный аспект ТСРП заключается в том, что это метод “малого радиуса действия” - элемент мишени не должен быть частью большой когерентной области атомов. Действительно, образец не обязательно должен иметь периодическую структуру. Спектроскопия ТСРП - один из немногих методов, которым можно исследовать молекулярную структуру химической формы в растворе или аморфных твердых телах, таких как стекло. Что касается кристаллических твердых тел,
то ТСРП дополняет информацию, полученную методами “большого радиуса действия”, такими как дифракция рентгеновских лучей, которая формирует сигнал путем суммирования вкладов миллионов атомов, группирующихся на протяжении сотен или тысяч ангстрем. ТСРП обеспечивает проникновение в суть усредненной структуры, окружающей каждый узел поглощения, тогда как дифракция рентгеновских лучей создает картину средней структуры когерентных областей твердого тела.
Спектроскопия ТСРП стала применяться в экспериментах в начале 1970-х годов после того, как Дейл Сайер, Эдвард Стерн и Фаррел Литл продемонстрировали, что преобразование Фурье можно использовать для анализа спектров поглощения. Их работа совпала с разработкой синхротронных источников рентгеновского излучения, которые испускали достаточное количество фотонов рентгеновских лучей в нужном спектральном диапазоне, чтобы позволить провести быстрые и высокоточные измерения поглощения. Возможности ТСРП раскрылись после появления недорогих вычислительных средств для анализа данных и реализации все более точных теоретических моделей.
Однако на трансурановых элементах (элементах, у которых атомные числа больше, чем у урана) методом ТСРП было проведено лишь несколько независимых исследований. В 1993 году в JIAHJI была принята первая программа систематического применения метода ТСРП для исследования трансурановых элементов и других образцов с высокой радиоактивностью. Одной из целей нашей первой серии экспериментов
было определение структуры плутониевых комплексов в концентрированном растворе азотной кислоты. Такая информация была необходима для усовершенствования процесса восстановления плутония с использованием азотной кислоты (см. статью “Смолы для наработки плутония, производимые на основе молекулярной технологии” на с. 456). Наша программа включала разработку контейнеров и процедур обеспечения безопасности, которые позволили бы устанавливать представляющие опасность образцы на Стэнфордское позитрон-электронное асимметричное кольцо (SPEAR) синхротрона Стэнфордского университета. В программу входил также подбор коллектива преданных делу людей, которые выполняли бы эту работу.
