Hohe Temperaturen und ionisierende Strahlung schaffen extrem korrosive Umgebungen in Kernreaktoren. Um langlebige Reaktoren zu konstruieren, müssen Wissenschaftler verstehen, wie strahlungsinduzierte chemische Reaktionen Strukturmaterialien beeinflussen. Chemiker des U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory und des Idaho National Laboratory führten kürzlich Experimente durch, die zeigen, dass strahlungsinduzierte Reaktionen dazu beitragen können, die Korrosion von Reaktormetallen in einem neuen Reaktortyp, der mit Schmelzsalzen gekühlt wird, zu mildern. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht.
"Schmelzsalzreaktoren sind eine aufkommende Technologie für eine sicherere, skalierbare Kernenergieproduktion. Diese fortschrittlichen Reaktoren können bei höheren, effizienteren Temperaturen als herkömmliche wassergekühlte Reaktortechnologien betrieben werden, während ein relativ normaler Druck aufrechterhalten wird", erklärte James Wishart, ein angesehener Chemiker am Brookhaven Lab und Leiter der Forschung.
Im Gegensatz zu wassergekühlten Reaktoren verwenden Schmelzsalzreaktoren ein Kühlmittel, das vollständig aus positiv und negativ geladenen Ionen besteht, die nur bei hohen Temperaturen in flüssigem Zustand bleiben. Es ist ähnlich wie das Schmelzen von Kochsalzkristallen, bis sie fließen, ohne dass eine andere Flüssigkeit hinzugefügt wird.
Die Wissenschaftler waren besonders besorgt über die Verfolgung von Chrom, einem häufigen Bestandteil der für Schmelzsalz-Kernreaktoren vorgeschlagenen Metalllegierungen. Wenn sich Chrom im Schmelzsalz löst, können einige seiner chemischen Formen Korrosionsprozesse beschleunigen und die strukturelle Integrität und Leistung des Reaktors beeinträchtigen. Die Verteilung der Chromionen-Oxidationsstufen - wie viele Elektronenleerstellen diese Ionen für chemische Reaktionen zur Verfügung haben - kann der Faktor sein, der bestimmt, ob Korrosion auftritt.
Wishart und seine Mitarbeiter nutzten Einrichtungen, um die Raten und Temperaturabhängigkeiten von Reaktionen der beiden Arten von Chromionen mit reaktiven Spezies zu messen, die durch Strahlung in Schmelzsalz erzeugt werden. "Unsere Analyse ergab, dass der Nettoeffekt der Strahlung in der Schmelzsalzumgebung darin besteht, die Umwandlung von korrosivem Cr3+ in weniger korrosives Cr2+ zu begünstigen", sagte Wishart.
Diese Forschung war ein Produkt des Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center, das 2018 am Brookhaven National Laboratory vom DOE Office of Science eingerichtet wurde, um die fundamentalen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen von Schmelzsalzen in nuklearen Umgebungen zu erforschen.