Bilim insanları, gelecekteki tuz yakıtlı nükleer reaktörlerin radyasyon etkileri açısından çok önemli bir keşif olan, erimiş tuzlarda üç benzersiz elektron durumunu ortaya çıkardı.
Gelişmiş nükleer reaktörlerdeki erimiş tuzların nasıl davranabileceğini açıklamaya yardımcı olan bir bulguda bilim insanları, erimiş tuzun iyonlarıyla etkileşime giren elektronların nasıl farklı özelliklere sahip üç durum oluşturabildiğini gösterdi. Bu durumları anlamak, radyasyonun tuz yakıtlı reaktörlerin performansı üzerindeki etkisini tahmin etmeye yardımcı olabilir.
Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan araştırmacılar ve Iowa Üniversitesine olacağını görmek için fazla elektronun erimiş çinko klorür tuzuna eklenmesini hesaplamalı olarak simüle etti.
Üç olası senaryo buldular. Birincisinde elektron, iki çinko iyonu içeren moleküler bir radikalin parçası haline gelir. Bir diğerinde elektron tek bir çinko iyonu üzerinde lokalize olur. Üçüncüsünde elektron delokalize olur veya birden fazla tuz iyonu üzerinde dağınık bir şekilde yayılır.
Gelecekteki Reaktör Tasarımlarına Yönelik Öneriler
ORNL’deki Kimyasal Ayrımlar grubunun lideri Vyacheslav Bryantsev, erimiş tuz reaktörlerinin gelecekteki nükleer enerji santralleri için düşünülen reaktör tasarımlarından biri olması nedeniyle, “asıl soru, yüksek radyasyona maruz kaldıklarında erimiş tuzlara ne olacağıdır” dedi. ve araştırmadaki bilim adamlarından biri ve makalenin yazarı. “Gelişmiş reaktör konseptlerinden birinde yakıtı taşımak için kullanılan tuza ne olacak?”
Iowa Üniversitesi’nde kimya profesörü ve aynı zamanda araştırma araştırmacısı ve yazarı olan Claudio Margulis şunları söyledi: “Elektronun tuzla nasıl etkileşime girdiğini anlamak önemlidir. Çalışmadan, elektronun çok kısa sürede bir çinko dimer, bir monomer oluşumunu kolaylaştırabildiğini veya lokalize olabileceğini görüyoruz. Daha uzun zaman ölçeklerinde böyle olması düşünülebilir.
Bu çalışmada bilim adamları, nükleer yakıt veya diğer enerji kaynaklarının ürettiği radyasyon nedeniyle ortaya çıkan bir elektronun, erimiş tuzu oluşturan iyonlarla nasıl reaksiyona gireceğini anlamak istediler.
Margulis, “Bu çalışma tüm bu sorulara cevap vermiyor ancak elektronun tuzla nasıl etkileşime girdiğini daha derinlemesine araştırmak için bir başlangıç” dedi.
Potansiyel Uzun Vadeli Etkileşimler ve Yayınlanmış Bulgular
Margulis şöyle devam etti: “İlk prensip moleküler dinamik hesaplamalarımız bu üç türün eriyik içinde çok kısa sürede oluşabileceğini gösterdiğinden, başka hangi türlerin daha uzun sürede oluşabileceği sorusunu akla getiriyor. Buna bir cevabımız yok. Seçeneklerden biri elektronların geldikleri türe geri dönebilmesidir; örneğin bir klor radikali bir elektronu geri alarak klorür oluşturabilir. Bir diğeri ise radikal türlerin daha karmaşık şekillerde reaksiyona girebilmesidir. Özellikle ilgi çekici olan durum, radyasyonun yeterince radikal üretmesi ve bunların birbirine yakın olması durumudur; bu, daha karmaşık türler oluşturmak için tepki verebildikleri zamandır.”
Araştırmacılar, Iowa yüksek lisans öğrencisi Hung Nguyen ile birlikte bulgularını American Chemical Society’nin dergisinde yayınladılar. Fiziksel Kimya B Dergisi. “Yüksek Sıcaklıktaki Erimiş Tuzlar Fazla Elektronlarla Reaktif midir? ZnCl2 Örneği”, ACS Editörlerinin Seçimi olarak seçildi; bu, ACS portföyünün tamamından geniş kamu yararına yönelik özel potansiyele sahip bir makaleye verilen bir onurdur. Ayrıca derginin ön kapağına da seçilmiştir.
Araştırma, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı liderliğindeki DOE’nin Aşırı Ortamlardaki Erimiş Tuzlar Enerji Sınırı Araştırma Merkezi’nin (MSEE EFRC) bir parçasıydı. EFRC, DOE’nin Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından finanse edilen ve temel enerji bilimi araştırmalarının ön saflarında yer alan en zorlu büyük bilimsel zorlukları ele almak için yaratıcı, çok disiplinli ve çok kurumsal araştırmacı ekiplerini bir araya getiren temel bir araştırma programıdır.
Daha Geniş Önem
“Bu araştırma önemlidir çünkü erimiş tuz reaktörlerinde radyasyon tarafından üretilen fazla elektronların nasıl birden fazla reaktivite biçimine sahip olabileceğini göstermektedir. Ben ve MSEE ekibinin diğer üyeleri, bu diğer reaktivite biçimlerini deneysel olarak tanımlamaya çalışıyoruz” dedi MSEE EFRC direktörü Brookhaven kimyager James Wishart.
Bryantsev, “Bu çalışma bize bir elektronun erimiş tuzla nasıl etkileşime girebileceğine dair bir fikir verebilir” dedi. “Hala cevap bekleyen pek çok soru var. Mesela bu etkileşim diğer tuzlarda olana benzer mi?”
Makalenin ilk yazarı Nguyen şunları söyledi: “Diğer tuz sistemlerine bakarak çalışmalarımızı genişletmek için Profesör Margulis, Dr. Bryantsev ve MSEE projesinin diğer üyeleriyle çalışmaya devam ediyorum. Umuyoruz ki radyasyonun erimiş tuzlar üzerindeki etkisine ilişkin daha fazla soruyu yanıtlayabiliriz.”
Referans: “Yüksek Sıcaklıktaki Erimiş Tuzlar Fazla Elektronlarla Reaktif midir? ZnCl örneği2” Yazan: Hung H. Nguyen, Vyacheslav S. Bryantsev ve Claudio J. Margulis, 27 Eylül 2023, Fiziksel Kimya B Dergisi. DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c04210
Hesaplamalı araştırma, her ikisi de DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisleri olan DOE’nin ORNL’deki Bilim için Bilgi İşlem ve Veri Ortamı’nda ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi İşlem Merkezi’nde yapıldı.