Les températures élevées et les rayonnements ionisants créent des environnements extrêmement corrosifs à l'intérieur des réacteurs nucléaires. Pour concevoir des réacteurs durables, les scientifiques doivent comprendre comment les réactions chimiques induites par les rayonnements affectent les matériaux de structure. Des chimistes du Laboratoire National de Brookhaven (DOE) du Département de l'Énergie des États-Unis et du Laboratoire National de l'Idaho ont récemment mené des expériences montrant que les réactions induites par les rayonnements peuvent aider à atténuer la corrosion des métaux des réacteurs dans un nouveau type de réacteur refroidi par des sels fondus. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Physical Chemistry Chemical Physics.
"Les réacteurs à sels fondus sont une technologie émergente pour une production d'énergie nucléaire plus sûre et évolutive. Ces réacteurs avancés peuvent fonctionner à des températures plus élevées et plus efficaces que les technologies traditionnelles de réacteurs refroidis à l'eau, tout en maintenant une pression relativement ambiante", a expliqué James Wishart, chimiste distingué au Brookhaven Lab et chef de la recherche.
Contrairement aux réacteurs refroidis à l'eau, les réacteurs à sels fondus utilisent un liquide de refroidissement entièrement constitué d'ions chargés positivement et négativement, qui restent à l'état liquide uniquement à des températures élevées. C'est comme faire fondre des cristaux de sel de table jusqu'à ce qu'ils coulent sans ajouter d'autre liquide.
Les scientifiques étaient particulièrement préoccupés par le suivi du chrome, un constituant fréquent des alliages métalliques proposés pour les réacteurs nucléaires à sels fondus. Lorsque le chrome se dissout dans le sel fondu, certaines de ses formes chimiques peuvent accélérer les processus de corrosion, compromettant l'intégrité structurelle et les performances du réacteur. La distribution des états d'oxydation des ions chrome - combien de lacunes d'électrons ces ions ont disponibles pour les réactions chimiques - peut être le facteur qui détermine si la corrosion se produit.
Wishart et ses collaborateurs ont utilisé des installations pour mesurer les taux et les dépendances à la température des réactions des deux types d'ions chrome avec des espèces réactives générées par le rayonnement dans le sel fondu. "Notre analyse a indiqué que l'effet net du rayonnement dans l'environnement de sel fondu est de favoriser la conversion du Cr3+ corrosif en Cr2+ moins corrosif", a déclaré Wishart.
Cette recherche est le fruit du Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center établi au Laboratoire National de Brookhaven par le Bureau de la Science du DOE en 2018 pour explorer les propriétés fondamentales et les applications potentielles des sels fondus dans les environnements nucléaires.