Dans une découverte qui aide à élucider le comportement potentiel des sels fondus dans les réacteurs nucléaires avancés, les scientifiques ont montré comment les électrons interagissant avec les ions du sel fondu peuvent former trois états avec des propriétés différentes. Comprendre ces états peut aider à prédire l’impact des rayonnements sur les performances des réacteurs alimentés au sel.
Les chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge du Département de l’énergie et de l’Université de l’Iowa ont simulé informatiquement l’introduction d’un excès d’électrons dans le sel de chlorure de zinc fondu pour voir ce qui se passerait.
Ils ont trouvé trois scénarios possibles. Dans l’un, l’électron fait partie d’un radical moléculaire qui comprend deux ions zinc. Dans un autre, l’électron se localise sur un seul ion zinc. Dans le troisième cas, l’électron est délocalisé ou réparti de manière diffuse sur plusieurs ions sel.
Les réacteurs à sels fondus étant l’un des modèles de réacteurs à l’étude pour les futures centrales nucléaires, « la grande question est de savoir ce qu’il advient des sels fondus lorsqu’ils sont exposés à de fortes radiations », a déclaré Vyacheslav Bryantsev, chef du groupe de séparations chimiques à l’ORNL. et l’un des scientifiques de l’étude et auteur de l’article. « Qu’arrive-t-il au sel utilisé pour transporter le combustible dans l’un de ces concepts de réacteurs avancés ? »
Claudio Margulis, professeur de chimie à l’Université de l’Iowa et également chercheur et auteur de l’étude, a déclaré : « Il est important de comprendre comment l’électron interagit avec le sel. formation d’un dimère de zinc, d’un monomère, ou être délocalisée. Il est concevable que sur des échelles de temps plus longues, de telles espèces puissent interagir davantage pour en former d’autres plus complexes.
Dans cette étude, les scientifiques voulaient comprendre comment un électron, qui apparaît à cause du rayonnement généré par le combustible nucléaire ou d’autres sources d’énergie, va réagir avec les ions qui composent un sel fondu.
« Cette étude ne répond pas à toutes ces questions, mais c’est un début pour étudier plus en profondeur la manière dont l’électron interagit avec le sel », a déclaré Margulis.
Il a poursuivi : « Étant donné que nos calculs de dynamique moléculaire montrent que ces trois espèces peuvent se former dans la fonte à des moments très courts, cela soulève la question de savoir quelles autres espèces peuvent se former à des moments plus longs. Nous n’avons pas de réponse à cette question. Une option est que les électrons peuvent retourner à l’espèce d’où ils proviennent ; par exemple, un radical chlore peut reprendre un électron pour former du chlorure. Une autre option est que les espèces radicalaires peuvent réagir de manière plus complexe. Le cas est particulièrement intéressant lorsque les radiations génèrent suffisamment de radicaux pour qu’ils puissent se trouver à proximité ; c’est alors qu’ils pourraient réagir pour former des espèces plus complexes. »
Les chercheurs, ainsi que Hung Nguyen, étudiant diplômé de l’Iowa, a publié ses conclusions dans Le Journal de Chimie Physique B. L’article, « Les sels fondus à haute température sont-ils réactifs avec des électrons excessifs ? Cas de ZnCl2 », a été choisi comme choix des éditeurs d’ACS, un honneur accordé à un article de l’ensemble du portefeuille d’ACS qui présente un potentiel particulier d’intérêt pour le grand public. Il a également été sélectionné pour la couverture de la revue.
La recherche faisait partie du centre de recherche sur les sels fondus dans les environnements extrêmes du DOE, ou MSEE EFRC, dirigé par le laboratoire national de Brookhaven. Un EFRC est un programme de recherche fondamentale qui rassemble des équipes de chercheurs créatives, multidisciplinaires et multi-institutionnelles pour relever les grands défis scientifiques les plus difficiles à l’avant-garde de la recherche fondamentale en sciences énergétiques.
« Cette recherche est importante car elle montre comment les électrons en excès générés par le rayonnement dans les réacteurs à sels fondus pourraient avoir de multiples formes de réactivité. Moi et d’autres membres de l’équipe MSEE tentons d’identifier expérimentalement ces autres formes de réactivité », a déclaré James, chimiste de Brookhaven. Wishart, directeur du MSEE EFRC.
« Cette étude peut nous permettre de comprendre comment un électron peut interagir avec un sel fondu », a déclaré Bryantsev. « Beaucoup de questions restent encore ouvertes. Par exemple, cette interaction est-elle similaire à ce qui se passe avec d’autres sels ? »
Nguyen, le premier auteur de l’article, a déclaré : « Je continue de travailler avec le professeur Margulis, le Dr Bryantsev, ainsi qu’avec d’autres membres du projet MSEE pour étendre nos études en examinant d’autres systèmes salins. plus de questions sur l’effet des radiations sur les sels fondus.
Plus d’information:
Hung H. Nguyen et al, Les sels fondus à haute température sont-ils réactifs avec un excès d’électrons ? Cas du ZnCl2, Le Journal de Chimie Physique B (2023). DOI : 10.1021/acs.jpcb.3c04210