Расшифровка поведения электронов в расплавленных солях

Исследователи компьютерно смоделировали взаимодействие между электронами и расплавленной солью хлорида цинка, обнаружив три различных состояния. Это открытие имеет решающее значение для понимания воздействия радиации на будущие ядерные реакторы на солевом топливе. Результаты исследования будут стимулировать дальнейшие исследования реакционной способности расплавленных солей под воздействием радиации.

Ученые обнаружили три уникальных состояния электронов в расплавленных солях, что является важным открытием для изучения радиационного воздействия будущих ядерных реакторов на солевом топливе.

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 с помощью вычислений 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.

Последствия для будущих конструкций реакторов

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: «Важно выяснить, как электрон взаимодействует с солью. Из исследования мы видим, что за очень короткое время электрон может способствовать образованию димера цинка, мономера или делокализоваться. Вполне возможно, что в более длительных временных масштабах такие виды могут взаимодействовать, образуя другие, более сложные виды».

При воздействии радиации электроны, образующиеся в расплавленном хлориде цинка, или ZnCl 2, можно наблюдать в трех различных состояниях одиночных занятых молекулярных орбиталей, а также в более диффузном, делокализованном состоянии. Фото: Хунг Х. Нгуен/Университет Айовы.

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.

Потенциальные долгосрочные взаимодействия и опубликованные результаты

Маргулис продолжил:

• «Поскольку наши расчеты молекулярной динамики, основанные на первых принципах, 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 состоит в том, что электроны могут вернуться к тому виду, из которого они пришли; например, радикал хлора может вернуть электрон с образованием хлорида. Другая причина заключается в том, что радикальные виды могут реагировать более сложным образом. Особый интерес представляет случай, когда радиация генерирует достаточно радикалов, чтобы они могли находиться в непосредственной близости; именно тогда они смогут отреагировать и сформировать более сложные виды».

Исследователи вместе с аспирантом из Айовы Хунг Нгуеном опубликовали свои выводы в журнале Американского химического общества «Журнал физической химии B». Статья «Реагируют ли высокотемпературные расплавленные соли с избыточными электронами?» Случай ZnCl2» была выбрана «Выбором редакции ACS». Эта награда присуждается одной статье из всего портфолио ACS, имеющей особый потенциал для широкого общественного интереса. Он также был выбран 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, финансируемая Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США, которая объединяет творческие, междисциплинарные и межинституциональные группы исследователей для решения сложнейших грандиозных научных задач, стоящих на переднем крае фундаментальных исследований в области энергетики.

Более широкое значение

• «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 идентифицировать эти другие формы реактивности экспериментально», — сказал химик из Брукхейвена Джеймс Уишарт, директор MSEE EFRC.
• «Это исследование может дать нам некоторое понимание того, как электрон может взаимодействовать с расплавленной солью», — сказал Брянцев. «Остается 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 на дополнительные вопросы о влиянии радиации на расплавленные соли».

Вычислительные исследования проводились в Центре вычислений и данных для науки Министерства энергетики США в ORNL и в Национальном центре энергетических исследований Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, которые являются объектами пользователей Управления науки Министерства энергетики США.

Источник

Метки: энергия