U radu objavljenom u Journal of the American Chemical Society, istraživači su po prvi put dokumentovali jedinstvenu hemijsku dinamiku i strukturu tečne soli uranijum trihlorida (UCl 3 ) na visokoj temperaturi, potencijalnog izvora nuklearnog goriva za reaktore sledeće generacije.
„Ovo je prvi kritični korak u omogućavanju dobrih prediktivnih modela za dizajn budućih reaktora“, rekao je istraživač Nacionalne laboratorije Oak Ridž (ORNL) Santanu Roi, koji je ko-vodio studiju. „Bolja sposobnost predviđanja i izračunavanja mikroskopskog ponašanja je ključna za dizajn, a pouzdani podaci pomažu u razvoju boljih modela.“
Decenijama se očekivalo da će reaktori sa rastopljenom soli posedovati kapacitete za proizvodnju bezbedne i pristupačne nuklearne energije, a ORNL eksperimenti za izradu prototipa iz 1960-ih su uspešno demonstrirali tehnologiju. Nedavno, pošto je dekarbonizacija postala sve veći prioritet širom sveta, mnoge zemlje su ponovo pokrenule napore da takve nuklearne reaktore učine dostupnim za široku upotrebu.
Idealan dizajn sistema za ove buduće reaktore oslanja se na razumevanje ponašanja soli tečnog goriva koje ih razlikuje od tipičnih nuklearnih reaktora koji koriste čvrste pelete uranijum dioksida. Hemijsko, strukturno i dinamičko ponašanje ovih soli goriva na atomskom nivou je izazovno za razumevanje, posebno kada uključuju radioaktivne elemente kao što je serija aktinida – kojoj pripada uranijum – jer se ove soli tope samo na ekstremno visokim temperaturama i pokazuju kompleksnost, egzotična jon-jonska koordinaciona hemija.
Istraživanje, saradnja između ORNL-a, Nacionalne laboratorije Argonne i Univerziteta Južne Karoline, koristilo je kombinaciju računarskih pristupa i korisničkog objekta DOE Office of Science, Spallation Neutron Source, ili SNS, za proučavanje hemijskog vezivanja i atomska dinamika UCl 3 u rastopljenom stanju.
SNS je jedan od najsjajnijih izvora neutrona na svetu i omogućava naučnicima da izvode najsavremenije studije rasejanja neutrona, koje otkrivaju detalje o položajima, kretanjima i magnetnim svojstvima materijala. Kada je snop neutrona usmeren na uzorak, mnogi neutroni će proći kroz materijal, ali neki stupaju u direktnu interakciju sa atomskim jezgrima i „odbijaju“ se pod uglom, poput loptica koje se sudaraju u igri igranja.
Koristeći posebne detektore, naučnici broje rasute neutrone, mere njihovu energiju i uglove pod kojima se raspršuju i mapiraju njihove konačne pozicije. Ovo omogućava naučnicima da prikupe detalje o prirodi materijala u rasponu od tečnih kristala do superprovodne keramike, od proteina do plastike i od metala do metalnih staklenih magneta.
Svake godine stotine naučnika koriste ORNL-ov SNS za istraživanje koje na kraju poboljšava kvalitet proizvoda od mobilnih telefona do farmaceutskih proizvoda – ali ne moraju svi da proučavaju radioaktivnu so na 900 stepeni Celzijusa, koja je vruća poput vulkanske lave. Nakon rigoroznih mera predostrožnosti i posebnog zadržavanja razvijenih u koordinaciji sa naučnicima SNS beamline-a, tim je bio u mogućnosti da uradi nešto što niko ranije nije uradio: izmeri dužinu hemijskih veza rastopljenog UCl 3 i svedoči njegovom iznenađujućem ponašanju kada je dostigao rastopljeno stanje.
„Studirao sam aktinide i uranijum otkako sam se pridružio ORNL-u kao postdoktor“, rekao je Aleks Ivanov, koji je takođe vodio studiju, „ali nikada nisam očekivao da bismo mogli da odemo u rastopljeno stanje i pronađemo fascinantnu hemiju“.
Ono što su otkrili je da se u proseku rastojanje veza koje drži uranijum i hlor zajedno zapravo smanjivalo kako je supstanca postala tečna – suprotno uobičajenom očekivanju da se toplota širi, a hladnoća skuplja, što je često tačno u hemiji i životu. Što je još interesantnije, među različitim vezanim parovima atoma, veze su bile nedosledne veličine i istezale su se u oscilirajućem obrascu, ponekad postižući dužine veze mnogo veće nego u čvrstom UCl 3, ali su se takođe zatezale do ekstremno kratkih dužina veze. U tečnosti je bila očigledna različita dinamika, koja se dešavala pri ultra velikim brzinama.
„Ovo je neistraženi deo hemije i otkriva osnovnu atomsku strukturu aktinida u ekstremnim uslovima“, rekao je Ivanov.
Podaci o vezivanju takođe su bili iznenađujuće složeni. Kada je UCl 3 dostigao najužu i najkraću dužinu veze, to je nakratko dovelo do toga da veza izgleda kovalentnija, umesto svoje tipične jonske prirode, ponovo oscilujući u i iz ovog stanja izuzetno velikim brzinama – manjim od jednog triliontinog dela sekunde .
Ovaj posmatrani period prividnog kovalentnog vezivanja, iako kratak i cikličan, pomaže da se objasne neke nedoslednosti u istorijskim studijama koje opisuju ponašanje rastopljenog UCl 3 . Ovi nalazi, zajedno sa širim rezultatima studije, mogu pomoći da se poboljšaju i eksperimentalni i računarski pristupi dizajnu budućih reaktora.
Štaviše, ovi rezultati poboljšavaju fundamentalno razumevanje soli aktinida, što može biti korisno u rešavanju izazova sa nuklearnim otpadom, piroprocesiranjem i drugim trenutnim ili budućim primenama koje uključuju ovu seriju elemenata.
