El Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía es líder mundial en el desarrollo de tecnología de reactores de sales fundidas, y sus investigadores realizan ciencia básica adicional para hacer que la energía nuclear sea más eficiente en el futuro. Dr. en un artículo de investigación publicado recientemente Revista de la Sociedad Química Estadounidense, Los investigadores han documentado por primera vez la dinámica química y la estructura únicas de las sales líquidas de tricloruro de uranio (UCl3) a alta temperatura, una posible fuente de combustible nuclear para reactores de próxima generación.
“Este es un primer paso importante para permitir mejores modelos predictivos para futuros diseños de reactores”, dijo Santanu Roy de ORNL, quien codirigió el estudio. “Una mejor capacidad para predecir y calcular el comportamiento microscópico es fundamental para el diseño, y datos fiables ayudan a desarrollar mejores modelos”.
Durante décadas, se esperaba que los reactores de sales fundidas poseyeran la capacidad de producir energía nuclear segura y rentable, y los experimentos de creación de prototipos del ORNL demostraron con éxito esta tecnología en la década de 1960. Recientemente, a medida que la descarbonización se ha convertido en una prioridad cada vez mayor en todo el mundo, muchos países han renovado sus esfuerzos para que dichos reactores nucleares estén disponibles para un uso generalizado.
El diseño ideal del sistema para estos futuros reactores depende de la comprensión del comportamiento de las sales de combustible líquido que los diferencia de los reactores nucleares típicos que utilizan gránulos de dióxido de uranio sólido. Comprender el comportamiento químico, estructural y dinámico de estas sales de combustible a nivel atómico es un desafío, especialmente cuando involucran elementos radiactivos como la serie de actínidos, que incluye el uranio, porque estas sales se funden solo a temperaturas extremadamente altas y exhiben complejos, iones exóticos. Química de coordinación.
La investigación, una colaboración entre ORNL, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Carolina del Sur, utilizó métodos computacionales para estudiar los enlaces químicos y una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE con sede en ORNL, la Fuente de Neutrones de Espalación, o SNS. Dinámica atómica del UCl3 en la masa fundida.
El SNS es una de las fuentes de neutrones más brillantes del mundo y permite a los científicos realizar sofisticados estudios de dispersión de neutrones, que revelan detalles sobre la posición, el movimiento y las propiedades magnéticas de la materia. Cuando un haz de neutrones incide sobre una muestra, muchos de los neutrones atravesarán el material, pero algunos interactuarán directamente con los núcleos atómicos y “rebotarán” en ángulo, como la colisión de bolas en un juego de billar.
Utilizando detectores especiales, los científicos cuentan los neutrones dispersados, miden su energía y el ángulo en el que se dispersan y mapean sus posiciones finales. Esto hace posible que los científicos obtengan detalles sobre la naturaleza de los materiales, desde cristales líquidos hasta cerámicas superconductoras, desde proteínas hasta plásticos y desde metales hasta imanes de vidrio metálico.
Cada año, cientos de científicos utilizan el SNS de ORNL para investigaciones que, en última instancia, mejoran la calidad de productos, desde teléfonos móviles hasta productos farmacéuticos, pero no todos necesitan estudiar sales radiactivas a 900 grados Celsius, que es tan caliente como la lava volcánica. Después de desarrollar estrictas precauciones de seguridad y contención especial en coordinación con los científicos de líneas de luz del SNS, el equipo pudo hacer algo que nadie había hecho antes: medir las longitudes de los enlaces químicos del UCl3 fundido y presenciar su sorprendente comportamiento cuando alcanza el estado fundido.
“He estado estudiando actínidos y uranio desde que me uní al ORNL como postdoctorado”, dijo Alex Ivanov, quien también codirigió la investigación, “pero nunca esperé que entraríamos en el fundido y encontraríamos una química interesante”.
Lo que encontraron es que la distancia entre los enlaces que mantienen unidos al uranio y al cloro en realidad se reduce a medida que el material se licua, contrariamente a la expectativa común de expansión por calor y contracción por frío, lo que suele ser cierto en la química y la vida. Lo que es más interesante, entre los diferentes pares de átomos enlazados, los enlaces eran de tamaño inconsistente y se estiraban en un patrón oscilante, logrando a veces longitudes de enlace mucho mayores que el UCl3 sólido, pero también endureciendo longitudes de enlace extremadamente cortas. En el fluido eran evidentes diferentes dinámicas, que se producían a velocidades ultrarrápidas.
“Esta es una parte desconocida de la química y revela la estructura atómica básica de los actínidos en condiciones extremas”, dijo Ivanov.
Los datos sobre vinculación también fueron sorprendentemente complejos. Cuando el UCl3 alcanza sus longitudes de enlace más cortas y estrechas, muestra brevemente que el enlace es más covalente que su naturaleza iónica normal, oscilando nuevamente dentro y fuera de este estado a un ritmo extremadamente rápido: menos de una billonésima de segundo.
Este período observado de un aparente enlace covalente, corto y cíclico, ayuda a explicar algunas discrepancias en los estudios históricos que describen el comportamiento del UCl3 fundido. Estos resultados, junto con las implicaciones más amplias del estudio, pueden ayudar a mejorar los métodos tanto experimentales como computacionales para el diseño de futuros reactores.
Además, estos resultados mejoran la comprensión fundamental de las sales de actínidos, que pueden ser útiles para abordar los desafíos del piroprocesamiento de desechos nucleares. y otras aplicaciones actuales o futuras que involucren esta serie de componentes
La investigación fue parte del Centro de Investigación de la Frontera Energética de Sal Fundida en Ambientes Extremos del DOE, o MSEE EFRC, dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven. La investigación se llevó a cabo principalmente en SNS y también utilizó otras dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE: el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional Argonne. La investigación también utilizó recursos del Entorno de Computación y Datos para la Ciencia de ORNL, o CADES.