中子揭示的熔融铀盐的各种独特行为

Josiah02

在《美国化学会志》上发表的一篇论文中，研究人员首次记录了高温液态三氯化铀（UCl3）盐的独特化学动力学和结构，这种盐是下一代反应堆的潜在核燃料源。
“这是为未来反应堆的设计提供良好预测模型的第一步，”共同领导这项研究的橡树岭国家实验室 (ORNL) 研究员桑塔努·罗伊 (Santanu Roy) 表示。“更好地预测和计算微观行为的能力对于设计至关重要，可靠的数据有助于开发更好的模型。”
几十年来，人们一直期望熔盐反应堆能够生产出安全且价格合理的核能，橡树岭国家实验室在 20 世纪 60 年代进行的原型实验成功证明了该技术。最近，随着脱碳在世界范围内日益成为优先事项，许多国家都重新加大努力，使此类核反应堆得到广泛应用。
这些未来反应堆的理想系统设计依赖于对液体燃料盐行为的理解，这些行为使它们有别于使用固体二氧化铀颗粒的典型核反应堆。这些燃料盐在原子水平上的化学、结构和动力学行为很难理解，尤其是当它们涉及放射性元素（如锕系元素，铀属于其中）时，因为这些盐只在极高的温度下熔化，并表现出复杂、奇特的离子-离子配位化学。
这项研究是 ORNL、阿贡国家实验室和南卡罗来纳大学合作开展的，采用了多种计算方法和位于 ORNL 的 DOE 科学办公室用户设施——散裂中子源 (SNS)，研究了熔融状态下UCl 3的化学键和原子动力学。
SNS 是世界上最明亮的中子源之一，它使科学家能够进行最先进的中子散射研究，揭示材料的位置、运动和磁性的细节。当中子束瞄准样本时，许多中子会穿过材料，但有些中子会直接与原子核相互作用并以一定角度“反弹”，就像台球比赛中球相撞一样。
科学家利用特殊的探测器来计算散射的中子数量，测量它们的能量和散射角度，并绘制它们的最终位置。这使得科学家能够收集从液晶到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到金属玻璃磁铁等各种材料的性质细节。
每年，数百名科学家使用 ORNL 的 SNS 进行研究，最终提高从手机到药品等产品的质量——但并非所有科学家都需要研究 900 摄氏度的放射性盐，这种盐的温度与火山熔岩一样热。在与 SNS 光束线科学家协调开发了严格的安全预防措施和特殊防护措施后，该团队得以完成一项前所未有的工作：测量熔融 UCl 3的化学键长，并观察其达到熔融状态时的惊人行为。
“自从我加入橡树岭国家实验室担任博士后以来，我一直在研究锕系元素和铀，”这项研究的共同负责人亚历克斯·伊万诺夫 (Alex Ivanov) 说道，“但我从未想到我们能够在熔融状态下发现令人着迷的化学反应。”
他们发现，铀和氯结合在一起的键长平均而言实际上随着物质变成液体而缩小——这与热胀冷缩的典型预期相反，这在化学和生活中经常发生。更有趣的是，在各种成键原子对中，键的大小不一致，它们以振荡模式拉伸，有时达到比固体 UCl 3大得多的键长，但也会收缩到极短的键长。在液体中，以超快速度发生的不同动态是显而易见的。
伊万诺夫说：“这是化学领域未知的领域，揭示了极端条件下锕系元素的基本原子结构。”
键合数据也出奇地复杂。当 UCl 3达到其最紧密和最短的键长时，它会短暂地使键看起来更具有共价性，而不是其典型的离子性质，并且再次以极快的速度（不到万亿分之一秒）在此状态中振荡。
这种观察到的明显共价键合周期虽然短暂且具有周期性，但有助于解释历史上描述熔融 UCl 3行为的一些不一致之处。这些发现以及更广泛的研究结果可能有助于改进未来反应堆设计的实验和计算方法。
此外，这些结果提高了对锕系元素盐的根本理解，这可能有助于应对核废料、高温处理以及涉及该系​​列元素的其他当前或未来应用的挑战。