Wissenschaftler haben gezeigt, wie Elektronen, die mit den Ionen der Salzschmelze interagieren, drei Zustände mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden können, um aufzuklären, wie sich geschmolzene Salze in modernen Kernreaktoren verhalten könnten. Das Verständnis dieser Zustände kann dabei helfen, die Auswirkungen der Strahlung auf die Leistung von Salzreaktoren vorherzusagen.
Die Forscher vom Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums und der University of Iowa simulierten rechnerisch die Einführung eines überschüssigen Elektrons in geschmolzenes Zinkchloridsalz, um zu sehen, was passieren würde.
Sie fanden drei mögliche Szenarien. In einem Fall wird das Elektron Teil eines Molekülradikals, das zwei Zinkionen enthält. In einem anderen Fall lokalisiert sich das Elektron auf einem einzelnen Zinkion. Im dritten Fall wird das Elektron delokalisiert oder diffus über mehrere Salzionen verteilt.
Da Schmelzsalzreaktoren zu den Reaktorkonstruktionen gehören, die für zukünftige Kernkraftwerke in Betracht gezogen werden, „ist die große Frage, was mit geschmolzenen Salzen passiert, wenn sie hoher Strahlung ausgesetzt werden“, sagte Vyacheslav Bryantsev, Leiter der Gruppe für chemische Trennungen am ORNL und einer der Wissenschaftler an der Studie und Autor des Artikels. „Was passiert mit dem Salz, das in einem dieser fortschrittlichen Reaktorkonzepte zum Transport des Brennstoffs verwendet wird?“
Claudio Margulis, Professor für Chemie an der University of Iowa und auch Studienforscher und Autor, sagte: „Es ist wichtig herauszufinden, wie das Elektron mit Salz interagiert. Wir sehen aus der Studie, dass das Elektron in sehr kurzen Zeiten die Wechselwirkung ermöglichen kann.“ Bildung eines Zinkdimers, eines Monomers, oder delokalisiert werden. Es ist denkbar, dass solche Spezies auf längeren Zeitskalen weiter interagieren könnten, um andere, komplexere Spezies zu bilden.
In dieser Studie wollten die Wissenschaftler verstehen, wie ein Elektron, das aufgrund der Strahlung von Kernbrennstoffen oder anderen Energiequellen entsteht, mit den Ionen reagiert, aus denen eine Salzschmelze besteht.
„Diese Studie beantwortet nicht alle diese Fragen, aber sie ist ein Anfang, tiefer zu untersuchen, wie das Elektron mit dem Salz interagiert“, sagte Margulis.
Er fuhr fort: „Da unsere Berechnungen der Molekulardynamik nach dem ersten Prinzip zeigen, dass sich diese drei Spezies in sehr kurzer Zeit in der Schmelze bilden können, stellt sich die Frage, welche anderen Spezies sich in längeren Zeiten bilden können. Wir haben keine Antwort darauf.“ Eine Möglichkeit besteht darin, dass die Elektronen zu der Spezies zurückkehren können, von der sie stammen. Beispielsweise kann ein Chlorradikal ein Elektron zurücknehmen und Chlorid bilden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass radikale Spezies auf komplexere Weise reagieren können. Von besonderem Interesse ist der Fall, wenn Strahlung erzeugt so viele Radikale, dass diese in unmittelbarer Nähe sein können; dann könnten sie reagieren und komplexere Spezies bilden.“
Die Forscher, zusammen mit dem Iowa-Doktoranden Hung Nguyen, veröffentlichten ihre Ergebnisse in Das Journal of Physical Chemistry B. Der Artikel „Are High-Temperature Molten Salts Reactive with Excess Electrons? Case of ZnCl2“ wurde als ACS Editors‘ Choice ausgewählt, eine Auszeichnung, die einem Artikel aus dem gesamten ACS-Portfolio verliehen wird, der besonderes Potenzial für breites öffentliches Interesse hat. Es wurde auch für das Titelblatt der Zeitschrift ausgewählt.
Die Forschung war Teil des Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center (MSEE EFRC) des DOE unter der Leitung des Brookhaven National Laboratory. Ein EFRC ist ein Grundlagenforschungsprogramm, das kreative, multidisziplinäre und multiinstitutionelle Forscherteams zusammenbringt, um die schwierigsten großen wissenschaftlichen Herausforderungen an der Spitze der Grundlagenforschung im Bereich der Energiewissenschaften anzugehen.
„Diese Forschung ist wichtig, weil sie zeigt, wie die überschüssigen Elektronen, die durch Strahlung in Schmelzsalzreaktoren erzeugt werden, mehrere Formen der Reaktivität aufweisen können. Ich und andere Mitglieder des MSEE-Teams versuchen, diese anderen Formen der Reaktivität experimentell zu identifizieren“, sagte der Brookhaven-Chemiker James Wishart, Direktor des MSEE EFRC.
„Diese Studie kann uns ein gewisses Verständnis dafür vermitteln, wie ein Elektron mit einer Salzschmelze interagieren kann“, sagte Bryantsev. „Es sind noch viele Fragen offen. Ist diese Wechselwirkung zum Beispiel ähnlich wie bei anderen Salzen?“
Nguyen, der Erstautor des Papiers, sagte: „Ich arbeite weiterhin mit Professor Margulis, Dr. Bryantsev und anderen Mitgliedern des MSEE-Projekts zusammen, um unsere Studien durch die Untersuchung anderer Salzsysteme zu erweitern. Hoffentlich können wir antworten.“ Weitere Fragen zur Wirkung von Strahlung auf geschmolzene Salze.
Mehr Informationen:
Hung H. Nguyen et al. Reagieren geschmolzene Salze bei hoher Temperatur mit überschüssigen Elektronen? Fall von ZnCl2, Das Journal of Physical Chemistry B (2023). DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c04210