在這張振蕩 UCl3 鍵的圖中，SNS 產(chǎn)生的中子(紫色點(diǎn))從熔融的 UCl3(綠色表示)散射，顯示出其原子結(jié)構(gòu)。黃色和白色形狀模擬數(shù)據(jù)并表示振蕩的 UCl3 鍵。(圖片：Alex Ivanov/ORNL)

《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于高溫液態(tài)三氯化鈾 (UCl 3 ) 鹽(一種熔鹽反應(yīng)堆的潛在燃料)的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)的新研究。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最近發(fā)布的一份新聞稿描述了來(lái)自 ORNL、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和南卡羅來(lái)納大學(xué)的研究人員如何利用 ORNL 的散裂中子源 (SNS) “首次”記錄液態(tài) UCl 3的獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)。

需要知道：研究熔融燃料鹽的原子級(jí)行為具有挑戰(zhàn)性。據(jù) ORNL 稱，不僅需要謹(jǐn)慎處理放射性元素，還需要極高的溫度——“像火山熔巖一樣熱”——來(lái)熔化鹽。一旦熔化，鹽就會(huì)表現(xiàn)出奇異的離子-離子配位化學(xué)，這很難建模。

“這是為未來(lái)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)提供良好預(yù)測(cè)模型的第一步，”ORNL 的 Santanu Roy 說(shuō)道，他是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人。“更好地預(yù)測(cè)和計(jì)算微觀行為的能力對(duì)于設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可靠的數(shù)據(jù)有助于開(kāi)發(fā)更好的模型。”

在與 SNS 光束線科學(xué)家共同開(kāi)發(fā)出一種特殊的遏制裝置后，研究小組能夠測(cè)量熔融 UCl 3的化學(xué)鍵長(zhǎng)，并觀察其達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)的行為。

令人著迷的化學(xué)反應(yīng)： “自從我加入 ORNL 擔(dān)任博士后以來(lái)，我一直在研究錒系元素和鈾，”ORNL 的研發(fā)科學(xué)家、同時(shí)也是這項(xiàng)研究的共同負(fù)責(zé)人的亞歷克斯·伊萬(wàn)諾夫 (Alex Ivanov) 說(shuō)道，“但我從未想到我們能夠在熔融狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)令人著迷的化學(xué)反應(yīng)。”

他們發(fā)現(xiàn)，鈾原子和氯原子之間的鍵長(zhǎng)平均會(huì)隨著物質(zhì)變成液體而縮小，這與許多常見(jiàn)物質(zhì)(例如水)不同，在這些物質(zhì)中，鍵會(huì)隨熱膨??脹，隨冷收縮。“更有趣的是，在各種成鍵原子對(duì)中，鍵的大小不一致，它們以振蕩模式拉伸，有時(shí)鍵長(zhǎng)遠(yuǎn)大于固體 UCl 3，但也會(huì)收縮到極短的鍵長(zhǎng)，”ORNL 表示。

伊萬(wàn)諾夫說(shuō)：“這是化學(xué)領(lǐng)域未知的領(lǐng)域，揭示了極端條件下錒系元素的基本原子結(jié)構(gòu)。”

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng) UCl 3分子內(nèi)的鍵達(dá)到最緊密和最短的長(zhǎng)度時(shí)，它們會(huì)短暫地呈現(xiàn)共價(jià)鍵而非離子鍵，并以不到一萬(wàn)億分之一秒的“極快速度”在這些狀態(tài)之間振蕩。

ORNL 稱，這種明顯的共價(jià)鍵雖然短暫且具有周期性，“但有助于解釋歷史研究中描述熔融UCl3行為的一些不一致性”。

ORNL表示，這一發(fā)現(xiàn)可能有助于改進(jìn)未來(lái)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法，并可能對(duì)錒系元素鹽化學(xué)的其他應(yīng)用有用，包括乏核燃料處理。

利用設(shè)施： SNS 是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，也是世界上最明亮的中子源之一，它使科學(xué)家能夠進(jìn)行最先進(jìn)的中子散射研究，通過(guò)測(cè)量所研究材料原子核散射的中子的能量、角度和位置來(lái)檢測(cè)材料的位置、運(yùn)動(dòng)和磁性。

該項(xiàng)研究是美國(guó)能源部極端環(huán)境熔鹽能源前沿研究中心(MSEE EFRC)的一部分，由布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室牽頭。該項(xiàng)研究主要在 SNS 進(jìn)行，并使用了另外兩個(gè) DOE-SC 用戶設(shè)施：勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心和阿貢的先進(jìn)光子源。該項(xiàng)研究還利用了 ORNL 的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)環(huán)境(CADES)的資源。