글로벌 에너지가 증가함에 따라 수요를 충족시키기 위해서는 즉각적이고 실제 에너지 솔루션이 필요합니다. 화석 연료는 환경에 부정적인 영향을 미치기 때문에 이상적인 후보가 아닙니다. 그리고 풍력과 태양과 같은 재생 에너지는 큰 잠재력을 가지고 있지만, 성장하는 세계 요구를 효과적으로 충족시키기 전에 여전히 주요 기술 발전 (특히 배터리 저장 영역)이 필요합니다. 큰 탄소 발자국없이 큰 에너지 요구를 충족시키는 가장 좋은 옵션은 원자력입니다. 물론, 원자력은 상당한 양의 반대와 우려에 직면했다. 그러나 오늘날 우리는 현대 공학 및 과학을 사용하여 이러한 우려를 해결할 수 있습니다.
아마도 가장 큰 관심 분야는 원자로에서 제거 된 후 중고 핵 연료와 관련하여해야 할 일입니다. 현재 미국 (및 기타 여러 국가)은 개방 연료 사이클을 사용하여 연료가 한 번만 사용 된 다음 폐기됩니다. 원자로에서 나오는 연료가 연료로드에서 우라늄 (U)에 의해 생산 될 수있는 총 에너지의 약 1%를 사용했다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
여기서 답은 연료 사이클을 닫고 핵 물질을 재활용하는 것입니다. 사용 된 핵연료를 재 처리함으로써 모든 U는 처분 할 필요없이 용도를 변경할 수 있습니다. 다양한 핵분열 생성물을 제거하고 특수 원자로에서 폐기하거나 사용하여 더 많은 에너지 또는 엄청나게 유익한 연구/의료 동위 원소를 만들 수 있습니다. 재 처리 기술은 현재 에너지 요구를 충족시키기에 충분히 발전하고 있지만, 이러한 기술을 개선하고 더 잘 이해하기위한 연구를 완료하는 것은 여전히 엄청나게 유익합니다.
핵분열 제품의 행동을 더 잘 이해하는 것은 중요한 연구의 한 영역입니다. 75 년 전에 발견 되었음에도 불구하고 Plutonium (PU)은 여전히 복잡한 용액 화학으로 인해 연구하기에 흥미로운 요소입니다. 수용액에서, PU는 3+, 4+ 및 6+를 포함한 여러 산화 상태에 동시에 존재할 수있다. 또한 용액 pH 및 이용 가능한 리간드에 따라 다양한 금속 리간드 복합체를 쉽게 형성한다. 솔루션에서 PU의 행동에 대한 이해는 지속 가능한 핵연 연료주기 개발과 관련하여 오늘날 중요한 연구 분야로 남아 있으며, 환경에 미치는 영향을 최소화하며 핵무기 기술의 확산을 감지하고 방지합니다.
수용액에서 PU를 정량화하는 것은 그것이 나타나는 복잡한 거동으로 인해 어려울 수 있습니다. 이들 시스템을 특성화하기 위해 많은 도구를 사용할 수 있지만, 자외선 (UV-VIS) 흡수 분광법은 가장 유용한 옵션 중 하나입니다. 이 기술은 샘플을 통해 넓은 스펙트럼 광을 비추고 샘플이 흡수하는 빛의 파장을 결정하는 것이 포함됩니다.
다른 분석 물은 서로 다른 파장을 흡수하여 각 분석 물에 대해 식별 가능한 "지문"을 만듭니다. UV-VIS 데이터를 빠르게 수집 할 수 있으며 일부 엔지니어링을 사용하면 시스템이 PU 농도를 측정하도록 쉽게 설계 될 수 있습니다. 유량-스루 샘플 세포, 침지 프로브 등을 사용하는 것. 가장 중요한 것은 UV-Vis는 산화 상태 (예 :다른 수의 전자를 가진 PU) 및 금속-리간드 종 (예 :1, 2, 4 또는 6 질산염 분자와 복합 된 PU)에 대한 상세한 데이터를 제공 할 수 있으며, 이는 많은 다른 빠른 속도가 공유되지 않는 능력이다. 기술.
불행하게도, UV-Vis 흡광도는 다른 구성 요소의 겹치는 지문이 서로 방해하는 복합체 (다 성분) 샘플에 활용하기 어려운 기술 일 수 있습니다. 이에 대한 훌륭한 예는 용액 환경에 따라 다른 금속 리간드 종 분화를 나타내는 PU (IV)에서 볼 수 있습니다. 이것은 크게 변화하는 스펙트럼 지문으로 나타납니다. 도 1은 0.5 내지 10 m 질산에서 15mm PU (IV) 용액의 UV-Vis 스펙트럼을 보여준다 (HNO <서브> 3 . ), PU 처리에 사용되는 일반적인 산입니다.
그림 1에 설명 된 이동 피크 위치는 질산 농도가 변하는 시스템에서 PU (IV)를 정확하게 특성화하기 위해 전통적인 방법을 사용하기가 엄청나게 어렵게 만듭니다. 이러한 상황은 PU를 포함하는 솔루션의 실제 처리에서 일반적입니다. 맥주의 법률 분석은 UV-Vis 스펙트럼을 기반으로하는 종을 정량화하는 일반적으로 사용되는 방법이며 단일 파장에서 분석 물 농도에서 관찰 된 흡광도와 관련이 있습니다.
.PU (IV)의 경우, 주어진 파장에서 빛이 흡수되는 정도는 질산 농도에 의존한다. 질산 농도가 변하면, 시간이 많이 걸리는 공정 인 각 측정에 대한 질산 농도의 별도의 측정이 필요하며, 이는 PU 용액으로부터 더 많은 방사선 용량에 연구원을 노출시킨다. 이로 인해 맥주의 법률 또는 관련 형태의 단일 변동 분석은 질산에서 PU (iv)와 같은 시스템을 결정하는 데 효과적이지 않습니다.
.다행히 다변량 분석 분야의 새로운 개발은 복잡한 스펙트럼 데이터의 고급 분석을 허용 할 수 있습니다. 화학 측정이라고하는 이러한 형태의 분석은 단일 점 또는 파장 대신 전체 스펙트럼을 활용합니다. 화학 분석은 스펙트럼 훈련 세트를 사용하여 대상 분석 물을 식별하거나 정량화하는 데 중요한 스펙트럼의 영역을 식별하는 수학적 모델을 구축합니다. 그림 2는 이러한 모델이 데이터를 "보는"방법에 대한 그래픽 예를 제공합니다.
화학 요원 모델은 화학 시스템 내에서 예상 스펙트럼 변동을 포착하는 스펙트럼 훈련 세트로 만들어집니다. 이 모델은 본질적으로 중요한 스펙트럼 영역을 매핑하는 잠재 변수 (또는 주요 구성 요소)를 추출합니다. PU (iv) 모델의 경우, 4 개의 잠재 변수가 식별되었고 그림 2에 플롯되어 있으며, 여기서 y 축 (로딩)의 더 큰 크기는 pu (iv)의 식별/정량화에 대한 스펙트럼 응답이 얼마나 중요한지를 나타냅니다.
.이 경우 흥미로운 점은 잠재 변수가 PU (IV)의 용액 화학을 어떻게 포착하는지입니다. 질산 농도가 증가함에 따라, 증가하는 질산염 이온의 수는 상이한 스펙트럼 반응을 갖는 PU (IV) 양이온 형성 종에 결합한다. 위에서 그려진 잠재 변수는이 산 범위에서 예상되는 4 개의 PU 종의 이론적 순수 스펙트럼과 매우 흡사합니다. Mononitrato는 1 m hno 3 보다 우세합니다. , Dinitrato는 2-5 m hno 3 에서 가장 흔한 종입니다. , 6-7 m hno 3 에서 지배적 인 테트라 니트라 토 , 및 헥사 니트라토 종은 8 m hno 3 이상입니다. .
플루토늄은 전형적으로 수용액에서 4+ 산화 상태에 국한되지 않습니다. 그것은 pu (III), pu (iv) 및 pu (vi) (puo 2 의 형태로 불균형하고 분열되는 경향이 있습니다. ). PU의 전기 화학적 거동은 위에서 설명한 PU (IV)의 용액 종 분화를 비교하여 간단하게 보이게 할 수있다. 그것은 다수의 접근법에 의해 연구되었지만보다 최근에는 분광 전기 화학이 PU 행동에 대한보다 완전한 이해를 제공하는 데 사용되었습니다.
.분광 전기 화학은 스펙트럼 서명을 모니터링하는 분광법과 전기 화학의 조합이며, 적용된 전위는 용액에서 종의 산화 상태를 제어하는 데 사용됩니다. 이러한 방식으로, 분광법은 용액에서의 분석 물의 종 분화 (Mono, Di, Tetra 및 Hexanitrato 종의 PU (IV) 종의 농도, 종의 농도 및 산화 상태가 제어되는 동안 관심있는 요인의 종의 종을 결정하는 데 사용될 수있다. 이에 대한 예는 PU 용액을 일련의 단계에서 PU (III)로부터 PU (iv)로 산화시킬 때 모니터링 된 그림 3에 도시되어있다.
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이 실험에서, PU (III)/(iv) 커플이 가역적임을 입증하기 위해 적용된 전위가 역전 될 수있다. 이 실험은 1 내지 6 M hno 3 로 반복되었다. 산 농도가 증가함에 따라 부부의 가역성이 감소함에 따라 결과가 감소함에 따라 질산 농도가 높을수록 PU를 3+ 상태로 줄이고 해당 상태로 유지하기가 더 어려워졌습니다. 이 관찰은 질산 용액에서 PU (III)가 얼마나 쉽게 PU (IV)에 산화되는지를 지적하는 사전 문헌과 일치했으며, PU (III)는 6 M hno
분광 전기 화학은 또한 (iv)/(vi) 커플 PU를 보는 데 사용되었습니다. 아래의 그림 4에서, PU는 가역적 커플 인 PU (III)에서 PU (IV)로 발전시킨 다음 PU (VI)를 형성하기 위해 더욱 발전시켰다. (iv)/(vi) 커플은 pu (vi)를 적용된 전위만으로 p (iv)로 다시 변환 할 수없는 곳에서 돌이킬 수 없다. 실제로, 남은 pu (iv)를 pu (iii)로 변환하기 위해 매우 낮은 잠재력을 용액에 적용해야했으며, 푸 (vi)와 반응하여 pu (iv)를 생성 할 수있었습니다.
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전반적으로, PU 용액 화학 및 전기 화학은 흥미로운 연구 영역입니다. 여기에 설명 된 작업은 hno 3 에 중점을 둡니다 기반 시스템이지만 솔루션 동작은 다른 미디어에서도 매우 역동적입니다. 이것은 금속-리간드 상호 작용, 산화 상태 효과 등에 대한 복잡한 연구를 허용하는 영역으로, 재 처리 핵 물질의 화학에 대한 근본적인 이해를 발전시키고 개선 된 기술이 세계 에너지 요구를 증가시킬 수있게하는 데 도움이 될 수 있습니다.
.이러한 결과는 최근 저널 분석 화학 에 발표 된 흡수 스펙트럼에 기초한 질산에서 플루토늄 (IV)의 정량화를위한 다변량 분석이라는 제목의 기사에 설명되어있다. Nitric Acid Systems의 PU (III/IV) 및 (IV/VI) 커플의 전기 화학 및 분광 전기 화학, 최근 저널 electroanalysis 에 발표되었습니다. . 수석 저자는 Amanda Lines였으며 S.R.을 포함한 과학자 및 엔지니어 팀이 작업을 완료했습니다. 아다미, A.J. Casella, S.I. Sinkov, G.L. Lumetta 및 S.A. Bryan 및 Pacific Northwest National Laboratory는 에너지 국의 원자력 에너지 지점이 제공 한 자금 지원
