L’avenir des réacteurs nucléaires : décrypter le comportement des électrons dans les sels fondus

Les scientifiques révèlent trois états électroniques uniques dans les sels fondus, une découverte cruciale pour les impacts des radiations des futurs réacteurs nucléaires alimentés au sel.

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 ministère de l’Énergie et du Université de l’Iowaa simulé informatiquement l’introduction d’un électron en excès dans un 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.

Implications pour les futures conceptions de réacteurs

Étant donné que les réacteurs à sels fondus sont 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. L’étude montre que, dans des délais très courts, l’électron peut faciliter la formation d’un dimère de zinc, d’un monomère, ou être délocalisé. Il est concevable que sur des échelles de temps plus longues, comme espèces pourraient 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.

Interactions potentielles à long terme et résultats publiés

Margulis a poursuivi : « Puisque 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 cela. Une option est que les électrons puissent retourner à l’espèce d’où ils proviennent ; par exemple, un radical chlore peut reprendre un électron pour former du chlorure. Une autre raison est que les espèces radicales peuvent réagir de manière plus complexe. Le cas où le rayonnement génère suffisamment de radicaux pour que ceux-ci puissent se trouver à proximité est particulièrement intéressant ; c’est à ce moment-là qu’ils pourraient réagir pour former des espèces plus complexes.

Les chercheurs, ainsi que Hung Nguyen, étudiant diplômé de l’Iowa, ont publié leurs résultats dans le journal de l’American Chemical Society. Le Journal de Chimie Physique B. L’article intitulé « Les sels fondus à haute température sont-ils réactifs avec un excès d’électrons ? Case of ZnCl2 », a été choisi comme choix des éditeurs de l’ACS, un honneur accordé à un article de l’ensemble du portefeuille de l’ACS qui présente un potentiel particulier pour un large intérêt 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 financé par l’Office of Basic Energy Sciences du DOE 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.

La signification plus large

« 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 Wishart, chimiste à Brookhaven, 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 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. Espérons que nous serons en mesure de répondre à davantage de questions sur l’effet des radiations sur les sels fondus.

La recherche informatique a été effectuée au Compute and Data Environment for Science du DOE à l’ORNL et au National Energy Research Scientific Computing Center du Lawrence Berkeley National Laboratory, deux installations utilisatrices du DOE Office of Science.