Los investigadores simularon computacionalmente la interacción entre los electrones y la sal de cloruro de zinc fundida y descubrieron tres estados distintos. El descubrimiento es crucial para comprender los efectos de la radiación en los futuros reactores nucleares alimentados con sal. Los conocimientos de este estudio impulsarán más investigaciones sobre la reactividad de las sales fundidas bajo radiación.
Los científicos han revelado tres estados electrónicos únicos en la sal fundida, un descubrimiento crucial para los efectos de la radiación de los futuros reactores nucleares alimentados con sal.
Un descubrimiento realizado por científicos que ayuda a arrojar luz sobre cómo podrían comportarse las sales fundidas en reactores nucleares avanzados muestra cómo los electrones interactúan con los iones de las sales fundidas para formar tres estados con diferentes propiedades. Comprender estos estados puede ayudar a predecir los efectos de la radiación en el rendimiento de los reactores alimentados con sal.
Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad de Iowa simularon computacionalmente la introducción de un exceso de electrones en una sal de cloruro de zinc fundida para ver qué sucedería.
Encontraron tres escenarios posibles. En un caso, el electrón pasa a formar parte de un radical molecular que contiene dos iones de zinc. En el otro caso, los electrones están localizados en un único ion zinc. En el tercer caso, los electrones se dispersan o difunden a través de múltiples iones de sal.
Cuando se exponen a la radiación, los electrones generados en cloruro de zinc fundido (o ZnCl2) se pueden observar en tres estados orbitales moleculares diferentes de ocupación única, así como en un estado más difuso y disperso. Fuente: Hung H. Nguyen/Universidad de Iowa
Implicaciones para el futuro diseño de reactores
Dado que los reactores de sales fundidas son uno de los diseños de reactores que se están considerando para futuras plantas de energía nuclear, "la gran pregunta es qué sucede cuando las sales fundidas se exponen a una alta radiación", dijo Vyacheslav Bryantsev, líder del Grupo de Separaciones Químicas del ORNL, uno de los científicos del estudio y autor del artículo. "¿Qué sucede con la sal utilizada para transportar el combustible en estos conceptos de reactores avanzados?
Claudio Margulis, profesor de química en la Universidad de Iowa y uno de los investigadores y autores del estudio, dijo: "Es muy importante comprender cómo interactúan los electrones con las sales. Vemos en el estudio que en períodos de tiempo muy cortos, los electrones pueden promover la formación de dímeros y monómeros de zinc y también pueden deslocalizarse. Es concebible que en escalas de tiempo más largas, estas especies puedan interactuar aún más para formar otras especies más complejas".
En este estudio, los científicos querían comprender cómo reaccionarían los electrones que emergen de la radiación producida por el combustible nuclear u otras fuentes de energía con los iones que forman la sal fundida.
"Este estudio no responde a todas estas preguntas, pero es un comienzo para una mirada más profunda a cómo interactúan los electrones con las sales", dijo Margulis.
Posibles interacciones a largo plazo y hallazgos publicados.
"Nuestros cálculos de dinámica molecular de primeros principios muestran que estas tres especies pueden formarse en el fundido en muy poco tiempo, lo que plantea la pregunta: ¿qué otras especies pueden formarse en un período de tiempo más largo? Aún no tenemos una respuesta a esto. Una opción es que los electrones puedan regresar a la especie de la que vinieron", dijo Magris. ; Por ejemplo, un radical cloro puede recuperar un electrón para formar cloruro. Otra posibilidad es que las especies radicales puedan reaccionar de maneras más complejas, y de particular interés es que cuando la radiación produce suficientes radicales, estos radicales pueden acercarse mucho, momento en el cual pueden reaccionar para formar especies más complejas".
Los investigadores, junto con el estudiante graduado del estado de Iowa, Hung Nguyen, publicaron sus hallazgos en el Journal of Physical Chemistry B de la American Chemical Society en un artículo titulado "¿Reaccionan las sales fundidas a alta temperatura con el exceso de electrones?" "El caso del ZnCl2" fue seleccionado como artículo elegido por el editor de la Sociedad Química Estadounidense, un honor otorgado por la Sociedad Química Estadounidense a un artículo de amplio interés público seleccionado entre todos sus artículos. El artículo también fue seleccionado como portada de la revista.
La investigación es parte del Centro de Investigación de la Frontera Energética de Sales Fundidas en Ambientes Extremos (MSEEEFRC) del Departamento de Energía, dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven. EFRC es un programa de investigación básica financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía que reúne equipos creativos multidisciplinarios y multiinstitucionales de investigadores para resolver los principales desafíos científicos más difíciles a la vanguardia de la investigación en ciencias energéticas básicas.
significado más amplio
"Este estudio es importante porque muestra cómo el exceso de electrones producido por la radiación en los reactores de sales fundidas puede tener muchas formas de reactividad. Otros miembros del equipo de MSEE y yo estamos tratando de determinar experimentalmente estas otras formas de reactividad", dijo el científico cultural de Brooksea, James Wishart, director del MSEEEFRC.
"Este estudio nos da una idea de cómo interactúan los electrones con la sal fundida", dijo Bryantsev. "Todavía quedan muchas preguntas sin respuesta. Por ejemplo, ¿esta interacción es similar a lo que ocurre con otras sales?"
"Continuaré trabajando con el profesor Margulis, el Dr. Bryantsev y otros miembros del proyecto MSEE para ampliar nuestra investigación mediante el estudio de otros sistemas salinos", dijo Nguyen, primer autor del artículo. "Ojalá podamos responder más preguntas sobre los efectos de la radiación en las sales fundidas".