پیشرفت: آمریکا به شیمی سوخت کلیدی مبتنی بر نمک برای رآکتورهای نسل بعدی دست یافت
دانشمندان آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) به نظر می‌رسد که کد منبع سوخت بالقوه‌ای برای نسل بعدی رآکتورهای هسته‌ای را با مستند کردن دینامیک‌های شیمیایی و ساختار منحصر به فرد نمک اورانیوم تری‌کلرید (UCl3) در دماهای بالا کشف کرده‌اند.
این اولین بار در جهان است که چنین پژوهشی بر روی UCl3، که یک منبع سوخت بالقوه برای رآکتورهای پیشرفته نمک مذاب است، انجام شده. این پیشرفت هدف دارد که چگونگی حرکت اتم‌ها در نمک مذاب را توضیح دهد.
«این اولین گام حیاتی در ایجاد مدل‌های پیش‌بینی دقیق برای طراحی رآکتورهای آینده است،» سانتانو روی که هم-راهبری این پژوهش را در ORNL انجام داده، گفت. «قابلیت بهتر برای پیش‌بینی و محاسبه رفتارهای میکروسکوپی برای طراحی حیاتی است و داده‌های معتبر کمک می‌کنند که مدل‌های بهتری توسعه یابند.»
جالب توجه است که رآکتورهای نمک مذاب که از دهه ۱۹۶۰ مورد تحقیق قرار گرفته‌اند، دارای مزایای زیادی نسبت به رآکتورهای هسته‌ای سنتی هستند. آن‌ها به طور ذاتی ایمن‌تر و کارآمدتر محسوب می‌شوند و کمتر زباله رادیواکتیو تولید می‌کنند.
با توجه به چالش‌های تغییرات اقلیمی و نیاز به منابع پاک انرژی، رآکتورهای نمک مذاب به عنوان یک راه‌حل بالقوه دوباره توجهات را به خود جلب کرده‌اند.
یافته‌های غیرمنتظره
بر خلاف انتظار معمول که گرما باعث انبساط می‌شود، پیوندهای اورانیوم-کلرین در UCl3 مذاب واقعاً منقبض می‌شوند. این رفتار غیرمنتظره مفاهیم معمولی را به چالش می‌کشد و ویژگی‌های منحصر به فرد عناصر آکتینایتی مانند اورانیوم در دماهای بالا را نشان می‌دهد.
«طراحی سیستم ایده‌آل برای این رآکتورهای آینده به فهم رفتار نمک‌های سوخت مایع که آن‌ها را از رآکتورهای هسته‌ای معمولی که از حبه‌های دی‌اکسید اورانیوم جامد استفاده می‌کنند متمایز می‌کند، بستگی دارد،» دانشمندان در یک بیانیه مطبوعاتی تأکید کردند.
علاوه بر این، پیوندها در نمک مایع دارای نوسان دینامیکی هستند که بین طول‌های بسیار کوتاه و بسیار بلند متغیرند.
«پس از اقدامات احتیاطی ایمنی شدید و محفظه‌های خاص که با همکاری با دانشمندان پرتو SNS توسعه یافتند، تیم قادر بود کاری که هیچ‌کس قبلاً انجام نداده بود انجام دهد: اندازه‌گیری طول پیوند شیمیایی UCl3 مذاب و مشاهده رفتار شگفت‌آور آن به محض رسیدن به حالت مذاب،» بیانیه مطبوعاتی توضیح داد.
این رقص اتمی در سطح کوچک اطلاعات مهمی در مورد تعاملات پیچیده درون سوخت مذاب ارائه می‌دهد.
دانشمندان ظاهر کوتاه مدت پیوند کووالانسی را در UCl3 کشف کردند. در کوتاه‌ترین طول پیوند، پیوند معمولاً یونی به طور موقت به پیوند کووالانسی تبدیل می‌شود. این رفتار دوره‌ای توضیحاتی برای برخی از ناسازگاری‌های مشاهده‌شده در مطالعات قبلی ارائه می‌دهد.
مطالعات پراکندگی نوترونی
برای کاوش در اسرار اتمی UCl3 مذاب، تیم پژوهشی از ترکیبی از روش‌های محاسباتی پیشرفته و منبع نوترون انباشتی (SNS) در ORNL استفاده کردند.
«SNS یکی از درخشان‌ترین منابع نوترون در جهان است و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا مطالعات پراکندگی نوترونی پیشرفته انجام دهند که جزئیات مربوط به موقعیت‌ها، حرکات و خواص مغناطیسی مواد را فاش می‌کند،» بیانیه مطبوعاتی تأکید کرد.
با بمباران نمونه‌ای با پرتو نوترونی و تحلیل نوترون‌های پراکنده شده، دانشمندان می‌توانند اطلاعات دقیقی در مورد ساختار و دینامیک اتمی ماده به دست آورند.
برای مرجع، این تکنیک که به پراکندگی نوترونی معروف است، زمینه‌های مختلف تحقیقات مواد را از داروسازی تا ابررساناها متحول کرده است.
فراتر از انرژی هسته‌ای
دانش حاصل از این پژوهش امپلیفرم‌هایی گسترده برای آینده انرژی هسته‌ای دارد.
با درک عمیق‌تر از رفتار نمک‌های سوخت هسته‌ای، دانشمندان اکنون می‌توانند مدل‌های پیش‌بینی دقیق‌تر و طراحی‌های بهتر برای رآکتورهای پیشرفته توسعه دهند.
امپلیفرم‌های این پژوهش فراتر از انرژی هسته‌ای است. بینش‌های حاصل از رفتار بنیادی نمک‌های آکتینایتی می‌تواند به مقابله با چالش‌های مدیریت زباله‌های هسته‌ای و فرایند پیرولیز، تکنیکی برای بازیافت سوخت هسته‌ای مصرف شده، نیز کمک کند.
