Майбутнє ядерних реакторів: розшифровка поведінки електронів у розплавлених солях

Вчені виявили три унікальні електронні стани в розплавлених солях, що є ключовим відкриттям для майбутніх радіаційних впливів ядерних реакторів на соляному паливі.

У результаті відкриття, яке допомагає з’ясувати, як можуть поводитися розплавлені солі в передових ядерних реакторах, вчені показали, як електрони, взаємодіючи з іонами розплавленої солі, можуть утворювати три стани з різними властивостями. Розуміння цих станів може допомогти передбачити вплив радіації на роботу реакторів, що працюють на солі.

Дослідники з Національної лабораторії Оук-Рідж Департаменту енергетики та Університету Айови обчислювально змоделювали введення надлишкового електрона в розплавлену сіль хлориду цинку, щоб побачити, що станеться.

Вони знайшли три можливі сценарії. В одному електрон стає частиною молекулярного радикала, який включає два іони цинку. В іншому електрон локалізується на одному іоні цинку. У третьому випадку електрон делокалізується або дифузно поширюється на кілька іонів солі.

Наслідки для майбутніх конструкцій реакторів

Оскільки реактори з розплавленою сіллю є одним із проектів реакторів, які розглядаються для майбутніх атомних електростанцій, «велике питання полягає в тому, що відбувається з розплавленими солями, коли вони піддаються впливу високого випромінювання», — сказав В’ячеслав Брянцев, керівник групи хімічного розділення в ORNL. і один із науковців дослідження та автор статті. «Що відбувається з сіллю, яка використовується для транспортування палива в одній із передових концепцій реакторів?»

Клаудіо Маргуліс, професор хімії в Університеті Айови, а також дослідник і автор дослідження, сказав: «Важливо з’ясувати, як електрон взаємодіє з сіллю. З дослідження ми бачимо, що за дуже короткий проміжок часу електрон може сприяти утворенню димеру цинку, мономера або бути делокалізованим. Цілком можливо, що в більш тривалих масштабах часу такі види можуть далі взаємодіяти, щоб утворити інші, більш складні».

У цьому дослідженні вчені хотіли зрозуміти, як електрон, який з’являється через випромінювання, створюване ядерним паливом або іншими джерелами енергії, буде реагувати з іонами, що утворюють розплавлену сіль.

«Це дослідження не дає відповідей на всі ці запитання, але це початок глибшого дослідження того, як електрон взаємодіє з сіллю», — сказав Маргуліс.

Потенційні довгострокові взаємодії та опубліковані результати

Маргуліс продовжив: «Оскільки наші першоосновні розрахунки молекулярної динаміки показують, що ці три види можуть утворюватися в розплаві за дуже короткий проміжок часу, виникає питання, які інші види можуть утворюватися за більший проміжок часу. Ми не маємо на це відповіді. Одним із варіантів є те, що електрони можуть повернутися до виду, звідки вони прийшли; наприклад, радикал хлору може повернути електрон з утворенням хлориду. Інша полягає в тому, що радикальні види можуть реагувати більш складними способами. Особливий інтерес представляє випадок, коли випромінювання генерує достатню кількість радикалів, щоб вони могли бути в безпосередній близькості; саме тоді вони можуть реагувати, утворюючи більш складні види».

Дослідники разом із аспірантом із Айови Хунг Нгуєном опублікували свої висновки в журналі Американського хімічного товариства The Journal of Physical Chemistry B. Стаття «Чи реагують високотемпературні розплавлені солі з надлишковими електронами?» Випадок ZnCl2» було обрано як вибір редакторів ACS, це честь, присуджена одній статті з усього портфоліо ACS, яка має особливий потенціал для широкого суспільного інтересу. Він також був обраний для передньої обкладинки журналу.

Дослідження було частиною Дослідницького центру розплавлених солей в екстремальних середовищах Міністерства енергетики (MSEE EFRC) під керівництвом Брукхейвенської національної лабораторії. EFRC — це програма базових досліджень, що фінансується Управлінням фундаментальних енергетичних наук Міністерства енергетики, яка об’єднує творчі, міждисциплінарні та багатоінституційні команди дослідників для вирішення найскладніших великих наукових завдань на передньому краї фундаментальних наукових досліджень у галузі енергетики.

Більш широке значення

«Це дослідження важливе, оскільки воно показує, як надлишок електронів, утворений радіацією в реакторах з розплавленою сіллю, може мати різні форми реакційної здатності. Я та інші члени команди MSEE намагаємося експериментально ідентифікувати ці інші форми реактивності», — сказав хімік з Брукхейвена Джеймс Вішарт, директор MSEE EFRC.

«Це дослідження може дати нам деяке розуміння того, як електрон може взаємодіяти з розплавленою сіллю», — сказав Брянцев. «Залишається багато відкритих питань. Наприклад, чи ця взаємодія схожа на те, що відбувається з іншими солями?»

Нгуєн, перший автор статті, сказав: «Я продовжую працювати з професором Маргулісом, доктором Брянцевим, а також іншими учасниками проекту MSEE, щоб розширити наші дослідження, розглядаючи інші соляні системи. Сподіваюся, ми зможемо відповісти на більше запитань про вплив радіації на розплавлені солі».

За матеріалами scitechdaily.com