Высокие температуры и ионизирующее излучение создают чрезвычайно агрессивные среды внутри ядерных реакторов. Чтобы проектировать долговечные реакторы, ученые должны понимать, как химические реакции, вызванные радиацией, влияют на конструкционные материалы. Химики из Брукхейвенской национальной лаборатории (DOE) Министерства энергетики США и Национальной лаборатории Айдахо недавно провели эксперименты, показывающие, что реакции, вызванные радиацией, могут помочь смягчить коррозию металлов реактора в новом типе реактора, охлаждаемого расплавленными солями. Их результаты опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
"Реакторы с расплавленной солью - это развивающаяся технология для более безопасного и масштабируемого производства ядерной энергии. Эти передовые реакторы могут работать при более высоких и эффективных температурах, чем традиционные технологии реакторов с водяным охлаждением, сохраняя при этом относительно нормальное давление", - объяснил Джеймс Уишарт, выдающийся химик в Брукхейвенской лаборатории и руководитель исследования.
В отличие от реакторов с водяным охлаждением, в реакторах с расплавленной солью используется охлаждающая жидкость, полностью состоящая из положительно и отрицательно заряженных ионов, которые остаются в жидком состоянии только при высоких температурах. Это похоже на плавление кристаллов поваренной соли до тех пор, пока они не потекут, без добавления какой-либо другой жидкости.
Ученые были особенно обеспокоены отслеживанием хрома, частого компонента металлических сплавов, предлагаемых для ядерных реакторов с расплавленной солью. По мере того, как хром растворяется в расплавленной соли, некоторые из его химических форм могут ускорять процессы коррозии, ухудшая структурную целостность и производительность реактора. Распределение степеней окисления ионов хрома - сколько вакансий электронов доступно этим ионам для химических реакций - может быть фактором, определяющим, произойдет ли коррозия.
Уишарт и его сотрудники использовали установки для измерения скоростей и температурных зависимостей реакций двух типов ионов хрома с реактивными частицами, генерируемыми излучением в расплавленной соли. "Наш анализ показал, что чистый эффект радиации в среде расплавленной соли заключается в том, чтобы благоприятствовать превращению коррозионного Cr3+ в менее коррозионный Cr2+", - сказал Уишарт.
Это исследование стало результатом работы Центра энергетических исследований передовых рубежей «Расплавленные соли в экстремальных условиях», созданного в Брукхейвенской национальной лаборатории Управлением науки Министерства энергетики США в 2018 году для изучения фундаментальных свойств и потенциальных применений расплавленных солей в ядерных средах.