قام الباحثون بمحاكاة حسابيًا للتفاعل بين الإلكترونات وملح كلوريد الزنك المنصهر واكتشفوا ثلاث حالات متميزة. يعد هذا الاكتشاف أمرًا بالغ الأهمية لفهم تأثيرات الإشعاع على المفاعلات النووية المستقبلية التي تعمل بالوقود الملحي. ستؤدي الأفكار المستمدة من هذه الدراسة إلى إجراء المزيد من الأبحاث حول تفاعل الأملاح المنصهرة تحت الإشعاع.
كشف العلماء عن ثلاث حالات إلكترونية فريدة في الملح المنصهر، وهو اكتشاف حاسم للتأثيرات الإشعاعية للمفاعلات النووية المستقبلية التي تعمل بالوقود الملحي.
إن اكتشاف العلماء الذي يساعد في تسليط الضوء على كيفية تصرف الملح المنصهر في المفاعلات النووية المتقدمة يوضح كيف تتفاعل الإلكترونات مع الأيونات الموجودة في الملح المنصهر لتشكيل ثلاث حالات ذات خصائص مختلفة. إن فهم هذه الحالات يمكن أن يساعد في التنبؤ بتأثيرات الإشعاع على أداء المفاعل الذي يعمل بالوقود الملحي.
أجرى باحثون من مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة أيوا محاكاة حسابية لإدخال الإلكترونات الزائدة في ملح كلوريد الزنك المنصهر لمعرفة ما سيحدث.
ووجدوا ثلاثة سيناريوهات محتملة. وفي إحدى الحالات، يصبح الإلكترون جزءًا من جذر جزيئي يحتوي على أيوني الزنك. وفي الحالة الأخرى، تتمركز الإلكترونات على أيون زنك واحد. في الحالة الثالثة، تتوزع الإلكترونات أو تنتشر عبر أيونات الملح المتعددة.
عند التعرض للإشعاع، يمكن ملاحظة الإلكترونات المتولدة في كلوريد الزنك المنصهر (أو ZnCl2) في ثلاث حالات مدارية جزيئية مختلفة مشغولة بشكل فردي، بالإضافة إلى حالة أكثر انتشارًا وتشتتًا. المصدر: هونغ إتش نغوين/جامعة أيوا
الآثار المترتبة على تصميم المفاعل في المستقبل
وبما أن مفاعلات الملح المنصهر هي أحد تصميمات المفاعلات التي يتم النظر فيها لمحطات الطاقة النووية المستقبلية، فإن "السؤال الكبير هو ماذا يحدث عندما يتعرض الملح المنصهر لإشعاعات عالية"، كما قال فياتشيسلاف بريانتسيف، رئيس مجموعة الفصل الكيميائي في ORNL، وأحد العلماء المشاركين في الدراسة ومؤلف الورقة. "ماذا يحدث للملح المستخدم لحمل الوقود في مفاهيم المفاعلات المتقدمة هذه؟
قال كلاوديو مارغوليس، أستاذ الكيمياء في جامعة أيوا وأحد الباحثين ومؤلفي الدراسة: "من المهم جدًا فهم كيفية تفاعل الإلكترونات مع الأملاح. نرى من الدراسة أنه في فترات زمنية قصيرة جدًا، يمكن للإلكترونات تعزيز تكوين ثنائيات الزنك، والمونومرات، ويمكنها أيضًا إلغاء التموضع. ومن المتصور أنه على نطاقات زمنية أطول، يمكن لهذه الأنواع أن تتفاعل بشكل أكبر لتشكل أنواعًا أخرى أكثر تعقيدًا".
في هذه الدراسة، أراد العلماء أن يفهموا كيف تتفاعل الإلكترونات الصادرة من الإشعاع الناتج عن الوقود النووي أو مصادر الطاقة الأخرى مع الأيونات التي تشكل الملح المنصهر.
وقال مارغوليس: "هذه الدراسة لا تجيب على كل هذه الأسئلة، لكنها بداية لإلقاء نظرة أعمق على كيفية تفاعل الإلكترونات مع الأملاح".
التفاعلات المحتملة على المدى الطويل والنتائج المنشورة
يقول ماجريس: "تُظهر حساباتنا الديناميكية الجزيئية المبدئية أن هذه الأنواع الثلاثة يمكن أن تتشكل في الذوبان في وقت قصير جدًا، مما يطرح السؤال: ما هي الأنواع الأخرى التي يمكن أن تتشكل في فترة زمنية أطول. ليس لدينا إجابة لهذا حتى الآن. أحد الخيارات هو أن الإلكترونات يمكن أن تعود إلى النوع الذي أتت منه". ; على سبيل المثال، يمكن لجذر الكلور أن يستعيد إلكترونًا لتكوين الكلوريد. والاحتمال الآخر هو أن الأنواع الجذرية قد تتفاعل بطرق أكثر تعقيدًا، ومن المثير للاهتمام بشكل خاص أنه عندما يتم إنتاج عدد كافٍ من الجذور عن طريق الإشعاع، قد يتم تقريب هذه الجذور إلى مسافة قريبة، وعند هذه النقطة قد تتفاعل لتشكل أنواعًا أكثر تعقيدًا.
نشر الباحثون، جنبًا إلى جنب مع طالب الدراسات العليا في ولاية أيوا، هونغ نجوين، النتائج التي توصلوا إليها في مجلة الكيمياء الفيزيائية ب التابعة للجمعية الكيميائية الأمريكية في ورقة بحثية بعنوان "هل تتفاعل الأملاح المنصهرة ذات درجة الحرارة العالية مع الإلكترونات الزائدة؟" تم اختيار "حالة ZnCl2" كورقة اختيار لمحرري الجمعية الكيميائية الأمريكية، وهو شرف تمنحه الجمعية الكيميائية الأمريكية لورقة بحثية ذات اهتمام عام واسع تم اختيارها من جميع أوراقها. كما تم اختيار الورقة لتكون غلاف المجلة.
يعد هذا البحث جزءًا من مركز أبحاث حدود الطاقة التابع لوزارة الطاقة في البيئات القاسية (MSEEEFRC)، بقيادة مختبر بروكهافن الوطني. EFRC هو برنامج بحثي أساسي يموله مكتب علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة ويجمع بين فرق إبداعية متعددة التخصصات ومتعددة المؤسسات من الباحثين لحل أصعب التحديات العلمية الرئيسية في طليعة أبحاث علوم الطاقة الأساسية.
معنى أوسع
"هذه الدراسة مهمة لأنها توضح كيف أن الإلكترونات الزائدة التي تنتجها الإشعاعات في مفاعلات الملح المنصهر يمكن أن يكون لها أشكال عديدة من التفاعل. أنا وأعضاء آخرون في فريق MSEE نحاول تحديد هذه الأشكال الأخرى من التفاعل بشكل تجريبي،" قال عالم الثقافة في Brooksea جيمس ويشارت، مدير MSEEEFRC.
وقال بريانتسيف: "تعطينا هذه الدراسة فكرة عن كيفية تفاعل الإلكترونات مع الملح المنصهر". "لا تزال هناك العديد من الأسئلة التي لا تزال دون إجابة. على سبيل المثال، هل هذا التفاعل مشابه لما يحدث مع الأملاح الأخرى؟"
وقال نغوين، المؤلف الأول للورقة البحثية: "سأواصل العمل مع البروفيسور مارغوليس والدكتور بريانتسيف وأعضاء آخرين في مشروع MSEE لتوسيع أبحاثنا من خلال دراسة أنظمة الملح الأخرى". "نأمل أن نتمكن من الإجابة على المزيد من الأسئلة حول تأثيرات الإشعاع على الأملاح المنصهرة."