В открытии, которое помогает выяснить, как могут вести себя расплавленные соли в современных ядерных реакторах, ученые показали, как электроны, взаимодействуя с ионами расплавленной соли, могут образовывать три состояния с разными свойствами. Понимание этих состояний может помочь предсказать влияние радиации на работу реакторов на солевом топливе.

Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики и Университета Айовы смоделировали введение избыточного электрона в расплавленную соль хлорида цинка, чтобы увидеть, что произойдет.

Они нашли три возможных сценария. В одном электрон становится частью молекулярного радикала, включающего два иона цинка. В другом случае электрон локализуется на одном ионе цинка. В третьем случае электрон делокализован или диффузно распространяется по множеству ионов соли.

Поскольку реакторы на расплавах солей являются одной из рассматриваемых проектов реакторов для будущих атомных электростанций, «большой вопрос заключается в том, что происходит с расплавленными солями, когда они подвергаются воздействию высокой радиации», — сказал Вячеслав Брянцев, руководитель группы химических сепараций в ОРНЛ. и один из ученых, участвовавших в исследовании, и автор статьи. «Что происходит с солью, которая используется для перевозки топлива в одном из этих усовершенствованных концепций реакторов?»

Клаудио Маргулис, профессор химии Университета Айовы, а также исследователь и автор, сказал: «Выяснение того, как электрон взаимодействует с солью, важно. Из исследования мы видим, что за очень короткое время электрон может облегчить Образование димера цинка, мономера или делокализация. Вполне возможно, что в более длительных временных масштабах такие виды могут в дальнейшем взаимодействовать с образованием других, более сложных».

В этом исследовании ученые хотели понять, как электрон, возникающий из-за излучения, создаваемого ядерным топливом или другими источниками энергии, будет реагировать с ионами, входящими в состав расплавленной соли.

«Это исследование не отвечает на все эти вопросы, но оно дает начало более глубокому изучению того, как электрон взаимодействует с солью», — сказал Маргулис.

Он продолжил: «Поскольку наши расчеты молекулярной динамики из первых принципов показывают, что эти три вида могут образовываться в расплаве за очень короткое время, возникает вопрос, какие другие виды могут образовываться за более длительное время. У нас нет ответа на этот вопрос. Один из вариантов заключается в том, что электроны могут вернуться к той форме, откуда они пришли; например, радикал хлора может вернуть электрон с образованием хлорида. Другой вариант заключается в том, что радикальные частицы могут реагировать более сложными способами. Особый интерес представляет случай, когда радиация генерирует достаточно радикалов, чтобы они могли находиться в непосредственной близости; именно тогда они могли бы вступить в реакцию с образованием более сложных видов».

Исследователи вместе с аспирантом из Айовы Хунг Нгуеном опубликовали свои выводы в журнале. Журнал физической химии B. Статья «Реагируют ли высокотемпературные расплавленные соли с избыточными электронами? Случай ZnCl».₂», была выбрана «Выбором редакции ACS» — наградой, присуждаемой одной статье из всего портфолио ACS, имеющей особый потенциал для широкого общественного интереса. Она также была выбрана для обложки журнала.

Исследование проводилось в рамках Центра энергетических передовых исследований Министерства энергетики США (MSEE EFRC), возглавляемого Брукхейвенской национальной лабораторией. EFRC — это программа фундаментальных исследований, которая объединяет творческие, междисциплинарные и межинституциональные группы исследователей для решения самых сложных и грандиозных научных задач, стоящих на переднем крае фундаментальных исследований в области энергетики.

«Это исследование важно, потому что оно показывает, как избыточные электроны, генерируемые радиацией в реакторах с расплавленными солями, могут иметь несколько форм реакционной способности. Я и другие члены команды MSEE пытаемся экспериментально идентифицировать эти другие формы реактивности», — сказал химик из Брукхейвена Джеймс. Уишарт, директор MSEE EFRC.

«Это исследование может дать нам некоторое представление о том, как электрон может взаимодействовать с расплавленной солью», — сказал Брянцев. «Есть еще много вопросов. Например, похоже ли это взаимодействие на то, что происходит с другими солями?»

Нгуен, первый автор статьи, сказал: «Я продолжаю работать с профессором Маргулисом, доктором Брянцевым, а также другими участниками проекта MSEE, чтобы расширить наши исследования, изучая другие соляные системы. Надеюсь, мы сможем ответить больше вопросов о влиянии радиации на расплавленные соли».