Đột phá: Hoa Kỳ tìm ra hóa học nhiên liệu muối quan trọng cho lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo
Không giống như hầu hết các vật liệu giãn nở khi được nung nóng, các liên kết trong UCl3 nóng chảy co lại, làm nổi bật hành vi bất thường của các nguyên tố actinide như urani ở nhiệt độ cao.
Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã ghi lại hành vi hóa học và cấu trúc độc đáo của urani trichloride lỏng (UCl3) ở nhiệt độ cao.
Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) dường như đã giải mã được mã nguồn nhiên liệu tiềm năng cho thế hệ lò phản ứng hạt nhân tiếp theo bằng cách ghi lại động lực học hóa học và cấu trúc độc đáo của muối urani trichloride lỏng (UCl3) ở nhiệt độ cao.
Đây là lần đầu tiên trên thế giới, một nghiên cứu như vậy được tiến hành trên UCl3, một nguồn nhiên liệu tiềm năng cho lò phản ứng muối nóng chảy tiên tiến. Đột phá này nhằm mục đích mô tả chi tiết cách các nguyên tử di chuyển trong muối nóng chảy.
Santanu Roy, người đồng lãnh đạo nghiên cứu tại ORNL, cho biết: "Đây là bước quan trọng đầu tiên trong việc tạo ra các mô hình dự đoán tốt để thiết kế các lò phản ứng trong tương lai". “Khả năng dự đoán và tính toán hành vi vi mô tốt hơn là rất quan trọng đối với thiết kế và dữ liệu đáng tin cậy giúp phát triển các mô hình tốt hơn”.
Đáng chú ý là lò phản ứng muối nóng chảy, đã được nghiên cứu từ những năm 1960, mang lại nhiều lợi thế so với lò phản ứng hạt nhân truyền thống. Chúng được coi là an toàn hơn và hiệu quả hơn và tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn.
Khi thế giới vật lộn với những thách thức của biến đổi khí hậu và nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch, lò phản ứng muối nóng chảy đang thu hút sự chú ý trở lại như một giải pháp tiềm năng.
Những phát hiện bất ngờ
Trái ngược với kỳ vọng thông thường rằng nhiệt gây ra sự giãn nở, các liên kết urani-clo trong UCl3 nóng chảy thực sự co lại. Hành vi bất ngờ này thách thức các khái niệm thông thường và nhấn mạnh các đặc tính độc đáo của các nguyên tố actinide, chẳng hạn như urani, ở nhiệt độ cao.
“Thiết kế hệ thống lý tưởng cho các lò phản ứng trong tương lai này dựa trên sự hiểu biết về hành vi của các muối nhiên liệu lỏng giúp phân biệt chúng với các lò phản ứng hạt nhân thông thường sử dụng các viên urani dioxide rắn”, các nhà khoa học nhấn mạnh trong một thông cáo báo chí.
Hơn nữa, các liên kết bên trong muối lỏng thể hiện dao động động, dao động giữa độ dài cực ngắn và độ dài đáng ngạc nhiên.
"Sau khi thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn nghiêm ngặt và biện pháp ngăn chặn đặc biệt được phát triển phối hợp với các nhà khoa học về đường chùm SNS, nhóm nghiên cứu đã có thể làm được điều mà chưa ai từng làm trước đây: đo độ dài liên kết hóa học của UCl3 nóng chảy và chứng kiến hành vi đáng ngạc nhiên của nó khi đạt đến trạng thái nóng chảy", thông cáo báo chí giải thích.
Vũ đạo cấp độ nguyên tử này cung cấp những hiểu biết quan trọng về các tương tác phức tạp xảy ra bên trong nhiên liệu nóng chảy.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra sự xuất hiện ngắn ngủi của liên kết cộng hóa trị bên trong UCl3. Ở độ dài liên kết chặt chẽ nhất, liên kết ion thông thường chuyển thành liên kết cộng hóa trị, mặc dù chỉ thoáng qua. Hành vi tuần hoàn này đưa ra lời giải thích cho một số điểm không nhất quán được quan sát thấy trong các nghiên cứu trước đây.
Nghiên cứu về tán xạ neutron
Để đi sâu vào những bí ẩn nguyên tử của UCl3 nóng chảy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kết hợp các phương pháp tính toán tiên tiến và Nguồn neutron Spallation (SNS) tại ORNL.
“SNS là một trong những nguồn neutron sáng nhất trên thế giới và cho phép các nhà khoa học thực hiện các nghiên cứu tán xạ neutron hiện đại, giúp tiết lộ thông tin chi tiết về vị trí, chuyển động và tính chất từ của vật liệu”, thông cáo báo chí nêu rõ.
Bằng cách bắn phá mẫu bằng chùm neutron và phân tích các neutron tán xạ, các nhà khoa học có thể thu thập thông tin chi tiết về cấu trúc nguyên tử và động lực học của vật liệu.
Để tham khảo, kỹ thuật này, được gọi là tán xạ neutron, đã cách mạng hóa nghiên cứu vật liệu trên nhiều lĩnh vực, từ dược phẩm đến siêu dẫn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
