In una scoperta che aiuta a chiarire come sali fusi nei reattori nucleari avanzati, gli scienziati hanno dimostrato come gli elettroni che interagiscono con gli ioni del sale fuso possano formare tre stati con proprietà diverse. Comprendere questi stati può aiutare a prevedere l’impatto delle radiazioni sulle prestazioni dei reattori alimentati a sale.
Quando esposti alle radiazioni, gli elettroni prodotti all’interno del cloruro di zinco fuso, o ZnCl2, possono essere osservati in tre distinti stati orbitali molecolari occupati singolarmente. Credito: Hung H. Nguyen/Università dell’Iowa
I ricercatori, dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia e dell’Università dell’Iowa, hanno simulato computazionalmente l’introduzione di un elettrone in eccesso nel sale di cloruro di zinco fuso per vedere cosa sarebbe successo.
Hanno trovato tre possibili scenari. In uno, l’elettrone diventa parte di un radicale molecolare che include due ioni zinco. In un altro, l’elettrone si localizza su un singolo ione zinco. Nel terzo, l’elettrone è delocalizzato, ovvero distribuito diffusamente su più ioni salini.
Poiché i reattori a sali fusi sono uno dei progetti di reattori presi in considerazione per le future centrali nucleari, “la grande domanda è cosa succede ai sali fusi quando sono esposti a radiazioni elevate”, ha affermato Vyacheslav Bryantsev, leader del gruppo Separazioni chimiche presso ORNL e uno degli scienziati dello studio e autore dell’articolo. “Cosa succede al sale utilizzato per trasportare il combustibile in uno di quei concetti di reattore avanzati?”
Claudio Margulis, professore di chimica presso l’Università dell’Iowa e anche ricercatore e autore dello studio, ha dichiarato: “Capire come l’elettrone interagisce con il sale è importante. Vediamo dallo studio che, in tempi molto brevi, l’elettrone può facilitare la formazione di un dimero di zinco, di un monomero, oppure essere delocalizzato. È concepibile che su scale temporali più lunghe tali specie possano interagire ulteriormente per formarne altre più complesse”.
In questo studio gli scienziati volevano capire come un elettrone, che appare a causa della radiazione generata dal combustibile nucleare o da altre fonti di energia, reagirà con gli ioni che compongono un sale fuso.
“Questo studio non risponde a tutte queste domande, ma è un inizio per indagare più a fondo su come l’elettrone interagisce con il sale”, ha detto Margulis.
Poi ha continuato: “Poiché i nostri calcoli di dinamica molecolare basati sui principi primi mostrano che queste tre specie possono formarsi nella fusione in tempi molto brevi, si pone la questione di quali altre specie possano formarsi in tempi più lunghi. Non abbiamo una risposta per questo. Una possibilità è che gli elettroni possano ritornare alla specie da cui provengono; per esempio, un radicale del cloro può riprendere un elettrone per formare cloruro. Un’altra è che le specie radicali potrebbero reagire in modi più complessi. Di particolare interesse è il caso in cui la radiazione genera un numero di radicali sufficiente affinché questi possano trovarsi nelle immediate vicinanze; è allora che potrebbero reagire per formare specie più complesse”.
I ricercatori, insieme allo studente laureato dell’Iowa Hung Nguyen, pubblicarono i loro risultati sull’American Chemical Society Il giornale di chimica fisica B. L’articolo “I sali fusi ad alta temperatura sono reattivi con gli elettroni in eccesso? Case of ZnCl2”, è stato scelto come ACS Editors’ Choice, un onore conferito a un articolo dell’intero portafoglio ACS che ha un potenziale particolare per un vasto interesse pubblico. È stato selezionato anche per la copertina della rivista.
La ricerca faceva parte del Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center del DOE, o MSEE EFRC, guidato dal Brookhaven National Laboratory. Un EFRC è un programma di ricerca di base finanziato dall’Ufficio delle scienze energetiche di base del DOE che riunisce team di ricercatori creativi, multidisciplinari e multiistituzionali per affrontare le grandi sfide scientifiche più difficili in prima linea nella ricerca fondamentale sulle scienze energetiche.
“Questa ricerca è importante perché mostra come gli elettroni in eccesso generati dalle radiazioni nei reattori a sali fusi potrebbero avere molteplici forme di reattività. Io e altri membri del team MSEE stiamo tentando di identificare sperimentalmente queste altre forme di reattività”, ha affermato il chimico di Brookhaven James Wishart, direttore del MSEE EFRC.
“Questo studio può darci una certa comprensione di come un elettrone può interagire con un sale fuso”, ha detto Bryantsev. “Ci sono molte domande ancora aperte. Ad esempio, questa interazione è simile a ciò che accade con altri sali?”
Nguyen, il primo autore dell’articolo, ha detto: “Continuo a lavorare con il professor Margulis, il dottor Bryantsev e altri membri del progetto MSEE per estendere i nostri studi esaminando altri sistemi salini. Speriamo di essere in grado di rispondere a più domande sugli effetti delle radiazioni sui sali fusi”.
La ricerca computazionale è stata condotta presso il Compute and Data Environment for Science del DOE presso l’ORNL e il National Energy Research Scientific Computing Center presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, entrambe strutture per gli utenti del DOE Office of Science.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Ufficio scientifico del DOE sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni visita Energy.gov/science.
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