Исследователи с помощью вычислений смоделировали взаимодействие между электронами и расплавленной солью хлорида цинка и обнаружили три различных состояния. Это открытие имеет решающее значение для понимания воздействия радиации на будущие ядерные реакторы на солевом топливе. Результаты этого исследования будут стимулировать дальнейшие исследования реакционной способности расплавленных солей под воздействием радиации.
Ученые обнаружили три уникальных электронных состояния в расплавленной соли. Это открытие имеет решающее значение для радиационных эффектов будущих ядерных реакторов на солевом топливе.
Открытие ученых, которое помогает пролить свет на то, как может вести себя расплавленная соль в современных ядерных реакторах, показывает, как электроны взаимодействуют с ионами в расплавленной соли, образуя три состояния с разными свойствами. Понимание этих состояний может помочь предсказать влияние радиации на работу реактора на солевом топливе.
Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Университета Айовы смоделировали введение избыточных электронов в расплавленную соль хлорида цинка, чтобы увидеть, что произойдет.
Они нашли три возможных сценария. В одном случае электрон становится частью молекулярного радикала, содержащего два иона цинка. В другом случае электроны локализуются на одном ионе цинка. В третьем случае электроны рассеиваются или диффундируют между несколькими ионами соли.
Под воздействием радиации электроны, генерируемые в расплавленном хлориде цинка (или ZnCl2), можно наблюдать в трех различных состояниях однозанятой молекулярной орбитали, а также в более диффузном, дисперсном состоянии. Источник: Хунг Х. Нгуен/Университет Айовы.
Последствия для конструкции будущего реактора
Поскольку реакторы на расплавах солей являются одной из конструкций реакторов, рассматриваемых для будущих атомных электростанций, «большой вопрос заключается в том, что происходит, когда расплавленная соль подвергается воздействию высокой радиации», — сказал Вячеслав Брянцев, руководитель группы химического разделения ОРНЛ, один из ученых, участвовавших в исследовании, и автор статьи. «Что происходит с солью, используемой для перевозки топлива в этих усовершенствованных концепциях реакторов?
Клаудио Маргулис, профессор химии Университета Айовы и один из исследователей и авторов исследования, сказал: «Очень важно понять, как электроны взаимодействуют с солями. Из исследования мы видим, что за очень короткие периоды времени электроны могут способствовать образованию димеров и мономеров цинка, а также могут делокализоваться. Вполне возможно, что в более длительных временных масштабах эти виды могут в дальнейшем взаимодействовать с образованием других, более сложных видов».
В этом исследовании ученые хотели понять, как электроны, возникающие в результате излучения, производимого ядерным топливом или другими источниками энергии, будут реагировать с ионами, составляющими расплавленную соль.
«Это исследование не отвечает на все эти вопросы, но оно дает начало более глубокому взгляду на то, как электроны взаимодействуют с солями», — сказал Маргулис.
Потенциальное долгосрочное взаимодействие и опубликованные результаты
«Наши расчеты молекулярной динамики, основанные на первых принципах, показывают, что эти три вида могут образоваться в расплаве за очень короткое время, что вызывает вопрос: какие еще виды могут образоваться за более длительный период времени. У нас пока нет ответа на этот вопрос. Один из вариантов заключается в том, что электроны могут вернуться к тому виду, из которого они произошли», — сказал Магрис. ; Например, радикал хлора может вернуть электрон с образованием хлорида. Другая возможность состоит в том, что радикальные виды могут реагировать более сложными способами, и особый интерес представляет то, что, когда радиация производит достаточное количество радикалов, эти радикалы могут оказаться в непосредственной близости, и в этот момент они могут реагировать, образуя более сложные виды».
Исследователи вместе с аспирантом штата Айова Хунг Нгуеном опубликовали свои выводы в журнале физической химии B Американского химического общества в статье под названием «Реагируют ли высокотемпературные расплавленные соли с избыточными электронами?» «Дело о ZnCl2» было выбрано в качестве статьи «Выбор редакции» Американского химического общества. Это награда, присуждаемая Американским химическим обществом статье, представляющей широкий общественный интерес, выбранной из всех его статей. Газета также была выбрана в качестве обложки журнала.
Исследование проводится в рамках Центра энергетических передовых исследований Министерства энергетики США (MSEEEFRC), возглавляемого Брукхейвенской национальной лабораторией. EFRC — это программа фундаментальных исследований, финансируемая Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики, которая объединяет творческие междисциплинарные и межинституциональные группы исследователей для решения сложнейших крупных научных задач, стоящих на переднем крае исследований в области фундаментальной энергетики.
более широкое значение
«Это исследование важно, потому что оно показывает, как избыточные электроны, образующиеся под действием радиации в реакторах с расплавленными солями, могут иметь множество форм реакционной способности. Другие члены команды MSEE и я пытаемся экспериментально определить эти другие формы реактивности», — сказал культуролог из Брукси Джеймс Уишарт, директор MSEEEFRC.
«Это исследование дает нам некоторое представление о том, как электроны взаимодействуют с расплавленной солью», — сказал Брянцев. «Есть еще много вопросов, которые остаются без ответа. Например, похоже ли это взаимодействие на то, что происходит с другими солями?»
«Я продолжу работать с профессором Маргулисом, доктором Брянцевым и другими участниками проекта MSEE, чтобы расширить наши исследования за счет изучения других солевых систем», — сказал Нгуен, первый автор статьи. «Надеюсь, мы сможем ответить на дополнительные вопросы о влиянии радиации на расплавленные соли».