Neutronen enthüllen vielfältiges und unverwechselbares Verhalten von geschmolzenem Uransalz

In einem Papier veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Societyhaben Forscher erstmals die einzigartige chemische Dynamik und Struktur von flüssigem Urantrichlorid (UCl3) bei hohen Temperaturen dokumentiert, einer potenziellen Kernbrennstoffquelle für Reaktoren der nächsten Generation.

„Dies ist ein erster wichtiger Schritt, um gute Vorhersagemodelle für die Konstruktion zukünftiger Reaktoren zu entwickeln“, sagte Santanu Roy, Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), der die Studie mit leitete. „Eine bessere Fähigkeit, das mikroskopische Verhalten vorherzusagen und zu berechnen, ist für die Konstruktion von entscheidender Bedeutung, und zuverlässige Daten helfen bei der Entwicklung besserer Modelle.“

Seit Jahrzehnten geht man davon aus, dass Flüssigsalzreaktoren die Fähigkeit besitzen, sichere und bezahlbare Kernenergie zu erzeugen. In den 1960er Jahren wurde die Technologie bei Prototyp-Experimenten des ORNL erfolgreich demonstriert. Da die Dekarbonisierung in jüngster Zeit weltweit eine immer größere Priorität erlangt, haben viele Länder ihre Bemühungen, solche Kernreaktoren für den breiten Einsatz verfügbar zu machen, wieder verstärkt.

Die ideale Systemauslegung für diese zukünftigen Reaktoren beruht auf dem Verständnis des Verhaltens der flüssigen Brennstoffsalze, das sie von typischen Kernreaktoren unterscheidet, die feste Urandioxidpellets verwenden. Das chemische, strukturelle und dynamische Verhalten dieser Brennstoffsalze auf atomarer Ebene ist schwierig zu verstehen, insbesondere wenn es sich um radioaktive Elemente wie die Actinidenreihe handelt – zu der Uran gehört –, da diese Salze nur bei extrem hohen Temperaturen schmelzen und eine komplexe, exotische Ion-Ion-Koordinationschemie aufweisen.

Bei der Forschung, einer Zusammenarbeit zwischen ORNL, Argonne National Laboratory und der University of South Carolina, wurde eine Kombination aus rechnergestützten Ansätzen und einer auf dem ORNL angesiedelten Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, der Spallation Neutron Source (SNS), eingesetzt, um die chemische Bindung und Atomdynamik von UCl3 im geschmolzenen Zustand zu untersuchen.

Das SNS ist eine der hellsten Neutronenquellen der Welt und ermöglicht Wissenschaftlern die Durchführung hochmoderner Neutronenstreustudien, die Einzelheiten über die Positionen, Bewegungen und magnetischen Eigenschaften von Materialien offenbaren. Wenn ein Neutronenstrahl auf eine Probe gerichtet wird, durchdringen viele Neutronen das Material, einige interagieren jedoch direkt mit Atomkernen und „prallen“ in einem Winkel ab, wie kollidierende Bälle beim Billardspiel.

Mithilfe spezieller Detektoren zählen Wissenschaftler gestreute Neutronen, messen ihre Energie und die Winkel, in denen sie gestreut werden, und kartieren ihre endgültigen Positionen. Dadurch können Wissenschaftler Einzelheiten über die Beschaffenheit von Materialien herausfinden, die von Flüssigkristallen bis zu supraleitenden Keramiken, von Proteinen bis zu Kunststoffen und von Metallen bis zu metallischen Glasmagneten reichen.

Jedes Jahr nutzen Hunderte von Wissenschaftlern das SNS des ORNL für Forschungen, die letztlich die Qualität von Produkten von Mobiltelefonen bis zu Arzneimitteln verbessern – aber nicht alle von ihnen müssen ein radioaktives Salz bei 900 Grad Celsius untersuchen, was so heiß ist wie vulkanische Lava. Nach strengen Sicherheitsvorkehrungen und einer speziellen Eindämmung, die in Abstimmung mit den SNS-Strahllinienwissenschaftlern entwickelt wurde, konnte das Team etwas tun, was noch niemand zuvor getan hatte: die chemischen Bindungslängen von geschmolzenem UCl3 messen und sein überraschendes Verhalten beobachten, als es den geschmolzenen Zustand erreichte.

„Ich habe Actiniden und Uran untersucht, seit ich als Postdoc zum ORNL gekommen bin“, sagte Alex Ivanov, der auch die Studie mitleitete, „aber ich hätte nie erwartet, dass wir in den geschmolzenen Zustand gelangen und eine faszinierende Chemie entdecken könnten.“

Sie fanden heraus, dass der Abstand der Bindungen, die Uran und Chlor zusammenhalten, im Durchschnitt tatsächlich schrumpfte, als die Substanz flüssig wurde – entgegen der üblichen Erwartung, dass sich Wärme ausdehnt und Kälte zusammenzieht, was in der Chemie und im Leben oft der Fall ist. Interessanterweise waren die Bindungen zwischen den verschiedenen gebundenen Atompaaren von inkonsistenter Größe und dehnten sich in einem oszillierenden Muster aus, wobei sie manchmal Bindungslängen erreichten, die viel größer waren als in festem UCl3, sich aber auch auf extrem kurze Bindungslängen zusammenzogen. Innerhalb der Flüssigkeit waren unterschiedliche Dynamiken erkennbar, die bei ultrahohen Geschwindigkeiten auftraten.

„Dies ist ein unerforschter Teil der Chemie und enthüllt die grundlegende Atomstruktur von Actiniden unter extremen Bedingungen“, sagte Ivanov.

Auch die Bindungsdaten waren überraschend komplex. Als UCl3 seine kürzeste und engste Bindungslänge erreichte, ließ es die Bindung kurzzeitig eher kovalent erscheinen, statt ihrer typischen ionischen Natur. Auch hier oszilliert sie mit extrem hoher Geschwindigkeit – weniger als eine Billionstel Sekunde – in diesen Zustand hinein und wieder hinaus.

Dieser beobachtete Zeitraum einer scheinbaren kovalenten Bindung ist zwar kurz und zyklisch, hilft aber, einige Unstimmigkeiten in historischen Studien zu erklären, die das Verhalten von geschmolzenem UCl3 beschreiben. Diese Erkenntnisse können zusammen mit den umfassenderen Ergebnissen der Studie dazu beitragen, sowohl experimentelle als auch rechnerische Ansätze für die Konstruktion zukünftiger Reaktoren zu verbessern.

Darüber hinaus tragen diese Ergebnisse zu einem grundlegenden Verständnis der Actinidsalze bei, was bei der Bewältigung von Problemen im Zusammenhang mit Atommüll, der Pyroverarbeitung und anderen aktuellen oder zukünftigen Anwendungen dieser Elementreihe hilfreich sein kann.