研究人員首次記錄了液態三氯化鈾(UCl3)在高溫下的獨特化學行為和結構。 橡樹嶺國家實驗室

橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的科學家似乎通過記錄高溫液態三氯化鈾(UCl3)鹽的獨特化學動力學和結構，破解了下一代核反應堆潛在燃料源的密碼。

這是世界上首次對先進熔鹽反應堆的潛在燃料源 UCl3 進行此類研究。這一突破旨在詳細了解原子在熔鹽中的運動方式。

這是為未來反應堆的設計提供良好預測模型的第一步，”橡樹嶺國家實驗室這項研究的共同負責人桑塔努·羅伊說。“更好地預測和計算微觀行為的能力對于設計至關重要，可靠的數據有助于開發更好的模型。”

值得注意的是，自 20 世紀 60 年代開始研究的熔鹽反應堆與傳統核反應堆相比具有諸多優勢。它們被認為本質上更安全、更高效，產生的放射性廢物更少。

隨著世界努力應對氣候變化的挑戰和對清潔能源的需求，熔鹽反應堆作為一種潛在的解決方案重新受到關注。

意外的發現

與通常的預期相反，人們通常認為熱量會導致膨脹，但熔融的 UCl3 中的鈾-氯鍵實際上會收縮。這種出乎意料的行為挑戰了傳統觀念，并凸顯了錒系元素(如鈾)在高溫下的獨特性質。

科學家在新聞稿中強調： “這些未來反應堆的理想系統設計依賴于對液體燃料鹽行為的理解，這種理解使它們有別于使用固體二氧化鈾顆粒的典型核反應堆。”

此外，液態鹽內的鍵表現出動態振蕩，在極短和令人驚訝的長之間波動。

新聞稿中解釋道：“在與 SNS 光束線科學家協調制定了嚴格的安全預防措施和特殊防護措施后，該團隊能夠做以前從未有人做過的事情：測量熔融 UCl3 的化學鍵長，并觀察其達到熔融狀態時的驚人行為。”

這種原子級的編排為熔融燃料中發生的復雜相互作用提供了重要的見解。

科學家們發現 UCl3 中存在短暫的共價鍵。在其最緊密的鍵長下，典型的離子鍵會轉變為共價鍵，盡管轉瞬即逝。這種循環行為解釋了先前研究中觀察到的某些不一致現象。

中子散射研究

為了深入探究熔融 UCl3 的原子奧秘，研究團隊采用了尖端計算方法和 ORNL 的散裂中子源 (SNS)。

新聞稿強調：“SNS 是世界上最亮的中子源之一，它使科學家能夠進行最先進的中子散射研究，揭示材料的位置、運動和磁性細節。”

通過用中子束轟擊樣本并分析散射的中子，科學家可以收集有關該材料原子結構和動力學的詳細信息。

作為參考，這種被稱為中子散射的技術徹底改變了從制藥到超導體等各個領域的材料研究。

超越核能

這項研究獲得的知識對核能的未來具有深遠的影響。

通過對核燃料鹽行為的深入了解，科學家現在可以為先進反應堆開發更準確的預測模型和設計。

這項研究的意義不僅限于核能。對錒系元素鹽基本行為的洞察還可以幫助解決核廢料管理和高溫處理(一種用于回收廢核燃料的技術)方面的挑戰。