研究者らは、電子と溶融塩化亜鉛塩の間の相互作用を計算機でシミュレーションし、3 つの異なる状態を発見しました。この発見は、将来の塩燃料原子炉に対する放射線の影響を理解する上で極めて重要である。この研究からの洞察は、放射線下での溶融塩の反応性に関するさらなる研究を推進するでしょう。

科学者たちは、溶融塩中の 3 つの独特な電子状態を明らかにしました。これは、将来の塩を燃料とする原子炉の放射線の影響にとって重要な発見です。

最新鋭の原子炉内の溶融塩がどのように挙動するかを解明するのに役立つ科学者らの発見は、電子が溶融塩中のイオンとどのように相互作用して、異なる特性を持つ 3 つの状態を形成するかを示しています。これらの状態を理解することは、塩燃料原子炉の性能に対する放射線の影響を予測するのに役立ちます。

米国エネルギー省オークリッジ国立研究所とアイオワ大学の研究者らは、溶融塩化亜鉛塩に過剰な電子を導入すると何が起こるかを計算機でシミュレーションし、何が起こるかを確認した。

彼らは 3 つの考えられるシナリオを発見しました。ある場合には、電子は 2 つの亜鉛イオンを含む分子ラジカルの一部になります。もう 1 つのケースでは、電子は単一の亜鉛イオンに局在します。 3 番目のケースでは、電子は複数の塩イオンにわたって分散または拡散します。

放射線にさらされると、溶融塩化亜鉛 (または ZnCl2) で生成された電子は、3 つの異なる単一占有分子軌道状態と、より拡散した分散状態で観察できます。出典: Hung H. Nguyen/アイオワ大学

将来の原子炉設計への影響

溶融塩炉は将来の原子力発電所で検討されている原子炉設計の1つであるため、「大きな問題は、溶融塩が高放射線にさらされたときに何が起こるかということだ」と、この研究の科学者の一人で論文の著者でもあるORNL化学分離グループのリーダー、ビャチェスラフ・ブライアンツェフ氏は述べた。 「これらの先進的な原子炉の概念で燃料を運ぶために使用される塩はどうなるでしょうか?

アイオワ大学の化学教授であり、研究者および研究著者の一人であるクラウディオ・マルグリス氏は、「電子がどのように塩と相互作用するかを理解することは非常に重要である。この研究から、非常に短い時間で電子は亜鉛二量体、単量体の形成を促進し、非局在化する可能性があることが分かる。より長い時間スケールでは、これらの種がさらに相互作用して、他のより複雑な種を形成する可能性があると考えられる。」と述べた。

この研究では、科学者たちは、核燃料または他のエネルギー源によって生成された放射線から放出される電子が、溶融塩を構成するイオンとどのように反応するかを理解したいと考えていました。

「この研究はこれらの疑問すべてに答えているわけではありませんが、電子が塩とどのように相互作用するかをより深く調べるための始まりです」とマーグリス氏は述べた。

長期的な相互作用の可能性と公表された調査結果

「私たちの第一原理分子動力学計算は、これら 3 つの種が融解物中で非常に短時間で形成される可能性があることを示しています。このことは、より長い期間で他の種が形成できるという疑問を引き起こします。これに対する答えはまだありません。1 つの選択肢は、電子が元の種に戻ることができるということです」とマグリス氏は述べた。 ;たとえば、塩素ラジカルは電子を取り戻して塩化物を形成することができます。別の可能性としては、ラジカル種がより複雑な方法で反応する可能性があり、特に興味深いのは、放射線によって十分なラジカルが生成されると、これらのラジカルが近接する可能性があり、その時点で反応してより複雑な種を形成する可能性があることです。」

研究者らは、アイオワ州立大学院生のフン・グエン氏とともに、「高温溶融塩は過剰な電子と反応するか?」と題する論文で、米国化学会の物理化学ジャーナルBに研究結果を発表した。 「The Case of ZnCl2」は、米国化学会の全論文の中から広く公共の関心を集めた論文に米国化学会から与えられる栄誉である、米国化学会の編集者が選ぶ論文に選ばれました。同紙は同誌の表紙にも選ばれた。

この研究は、ブルックヘブン国立研究所が主導するエネルギー省の極限環境溶融塩エネルギーフロンティア研究センター（MSEEEFRC）の一環である。 EFRC は、エネルギー省の基礎エネルギー科学局が資金提供する基礎研究プログラムであり、基礎エネルギー科学研究の最前線で最も困難な主要な科学的課題を解決するために、創造的な多分野および多機関の研究者チームを結集します。

より広い意味

「この研究は、溶融塩炉内で放射線によって生成された過剰電子がどのようにさまざまな形の反応性を持ち得るかを示しているため、重要です。MSEEチームの他のメンバーと私は、これらの他の形態の反応性を実験的に決定しようとしています」とブルックシーの文化科学者でMSEEEFRC所長のジェームズ・ウィシャート氏は述べた。

「この研究は、電子が溶融塩とどのように相互作用するかについての洞察を与えてくれます」とブライアンツェフ氏は語った。 「まだ答えられていない疑問がたくさんあります。たとえば、この相互作用は他の塩で起こることと似ていますか?」

「私は今後もマルグリス教授、ブライアンツェフ博士、およびMSEEプロジェクトの他のメンバーと協力し、他の塩系を研究することで研究を拡大していきます」と論文の筆頭著者であるグエン氏は述べた。 「溶融塩に対する放射線の影響について、さらに多くの疑問に答えられることを願っています。」