Naukowcy z Narodowego Laboratorium Oak Ridge odkryli przełomowy skład chemiczny stopionego trójchlorku uranu, podważając konwencjonalną wiedzę i torując drogę postępowi w projektowaniu reaktorów jądrowych i gospodarowaniu odpadami.
Laboratorium Narodowe Oak Ridge Departamentu Energii jest światowym liderem w rozwoju technologii reaktorów na stopioną sól, a jego badacze dodatkowo wykonują podstawowe badania naukowe niezbędne, aby w przyszłości energia jądrowa stała się bardziej wydajna. W niedawnym artykule opublikowanym w Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, badacze po raz pierwszy udokumentowali wyjątkową dynamikę chemiczną i strukturę wysokotemperaturowej ciekłej soli trichlorku uranu (UCl3), potencjalnego źródła paliwa jądrowego dla reaktorów nowej generacji.
„To pierwszy krytyczny krok w tworzeniu dobrych modeli predykcyjnych do projektowania przyszłych reaktorów” – powiedział Santanu Roy z ORNL, który był współkierownikiem badania. „Lepsza umiejętność przewidywania i obliczania zachowań mikroskopowych ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu, a wiarygodne dane pomagają w opracowywaniu lepszych modeli”.
Nacisk na nowoczesne rozwiązania nuklearne
Przez dziesięciolecia oczekiwano, że reaktory na stopioną sól będą w stanie wytwarzać bezpieczną i niedrogą energię jądrową Eksperymenty prototypowania ORNL w latach 60. XX wieku z powodzeniem zademonstrowały tę technologię. Ostatnio, gdy dekarbonizacja staje się coraz większym priorytetem na całym świecie, wiele krajów ponownie wzmogło wysiłki na rzecz udostępnienia takich reaktorów jądrowych do szerokiego zastosowania.
Idealny projekt systemu dla tych przyszłych reaktorów opiera się na zrozumieniu zachowania soli ciekłych paliw, które odróżniają je od typowych reaktorów jądrowych, w których wykorzystuje się granulki stałego dwutlenku uranu. Chemiczne, strukturalne i dynamiczne zachowanie tych soli paliwowych na poziomie atomowym jest trudne do zrozumienia, zwłaszcza gdy obejmują one pierwiastki promieniotwórcze, takie jak szereg aktynowców – do których należy uran – ponieważ sole te topią się dopiero w bardzo wysokich temperaturach i wykazują złożone, egzotyczna chemia koordynacji jon-jon.
Zaawansowane technologicznie narzędzia do zaawansowanej analizy materiałów
W badaniu, prowadzonym we współpracy między ORNL, Argonne National Laboratory i Uniwersytetem Karoliny Południowej, do badania wiązania chemicznego wykorzystano kombinację podejść obliczeniowych oraz obiekt użytkownika DOE Office of Science z siedzibą w ORNL, Spallation Neutron Source (SNS). i dynamika atomowa UCl3 w stanie stopionym.
SNS to jedno z najjaśniejszych źródeł neutronów na świecie, które umożliwia naukowcom prowadzenie najnowocześniejszych badań rozpraszania neutronów, które ujawniają szczegóły dotyczące pozycji, ruchów i właściwości magnetycznych materiałów. Kiedy wiązka neutronów jest skierowana na próbkę, wiele neutronów przejdzie przez materiał, ale niektóre oddziałują bezpośrednio z jądrami atomowymi i „odbijają się” pod kątem, jak zderzające się piłki w grze w bilard.
Za pomocą specjalnych detektorów naukowcy liczą rozproszone neutrony, mierzą ich energię i kąty, pod którymi się rozpraszają, a także sporządzają mapę ich ostatecznego położenia. Umożliwia to naukowcom zebranie szczegółowych informacji na temat natury materiałów, od ciekłych kryształów po ceramikę nadprzewodzącą, od białek po tworzywa sztuczne i od metali po metaliczne magnesy szklane.
Przełom w chemii aktynowców
Każdego roku setki naukowców wykorzystuje SNS ORNL do badań, które ostatecznie poprawiają jakość produktów, od telefonów komórkowych po farmaceutyki – ale nie wszyscy muszą badać radioaktywną sól w temperaturze 900 stopni Celsjuszktóry jest gorący jak lawa wulkaniczna. Po zastosowaniu rygorystycznych środków bezpieczeństwa i specjalnej obudowy opracowanej we współpracy z naukowcami z SNS zajmującymi się badaniami promieniowymi, zespół był w stanie zrobić coś, czego nikt wcześniej nie zrobił: zmierzyć długość wiązań chemicznych stopionego UCl3 i obserwować jego zaskakujące zachowanie po osiągnięciu stanu stopionego.
„Badam aktynowce i uran, odkąd dołączyłem do ORNL jako postdoc” – powiedział Alex Ivanov, który również współkierował badaniami, „ale nigdy nie spodziewałem się, że uda nam się przejść do stanu stopionego i odkryć fascynującą chemię”.
Odkryli, że średnio odległość wiązań łączących uran i chlor w rzeczywistości zmniejsza się, gdy substancja staje się płynna – wbrew typowym oczekiwaniom, że ciepło rozszerza się, a zimno kurczy, co często ma miejsce w chemii i życiu. Co ciekawsze, wśród różnych spojonych atom pary, wiązania miały niespójną wielkość i rozciągały się w sposób oscylacyjny, czasami osiągając długości wiązań znacznie większe niż w stałym UCl3, ale także zaciskając się do wyjątkowo krótkich długości wiązań. W cieczy widoczna była różna dynamika, występująca przy ultraszybkiej prędkości.
Wnioski dotyczące stopionego UCl3 i przyszłych implikacji badawczych
„To niezbadana część chemii, która ujawnia podstawową strukturę atomową aktynowców w ekstremalnych warunkach” – powiedział Iwanow.
Dane dotyczące wiązania były również zaskakująco złożone. Kiedy UCl3 osiągnął najciaśniejszą i najkrótszą długość wiązania, na krótko spowodowało to, że wiązanie wydawało się bardziej kowalencyjne zamiast typowej natury jonowej, ponownie oscylując w tym stanie i wychodząc z niego z niezwykle dużymi prędkościami – mniej niż jedna bilionowa sekundy.
Ten zaobserwowany okres pozornego wiązania kowalencyjnego, choć krótki i cykliczny, pomaga wyjaśnić pewne niespójności w badaniach historycznych opisujących zachowanie stopionego UCl3. Odkrycia te, wraz z szerszymi wynikami badania, mogą pomóc w udoskonaleniu zarówno eksperymentalnego, jak i obliczeniowego podejścia do projektowania przyszłych reaktorów.
Co więcej, wyniki te poprawiają podstawową wiedzę na temat soli aktynowców, co może być przydatne w stawianiu czoła wyzwaniom związanym z odpadami nuklearnymi i piroprzetwarzaniem. oraz inne obecne lub przyszłe zastosowania obejmujące tę serię elementów.
Odniesienie: „Transient Covalency in Molten Uranium(III) Chloride” autorstwa: Dmitry S. Maltsev, Darren M. Driscoll, Yuanpeng Zhang, Joerg C. Neuefeind, Benjamin Reinhart, Can Agca, Debmalya Ray, Phillip W. Halstenberg, Mina Aziziha, Juliano Schorne-Pinto, Theodore M. Besmann, Wiaczesław S. Bryantsev, Sheng Dai, Santanu Roy i Alexander S. Ivanov, 23 lipca 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c05765
Badania były częścią Centrum badawczego Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC) DOE, kierowanego przez Brookhaven National Laboratory. Badania przeprowadzono głównie w SNS, a także wykorzystano dwie inne obiekty użytkownika Biura Naukowego DOE: Naukowe Centrum Obliczeniowe Krajowego Laboratorium Lawrence Berkeley w Krajowym Laboratorium Badań nad Energią oraz Zaawansowane Źródło Fotonowe Argonne National Laboratory. W badaniu wykorzystano także zasoby środowiska obliczeniowego i danych dla nauki (CADES) firmy ORNL.
