熔盐液可为科学家提供关于核能的新见解

熔盐液可为科学家提供关于核能的新见解
麻省理工学院的实验物理学家鲍里斯·卡科维奇(Boris Khaykovich)准备用ORNL散裂中子源的NOMAD仪器探测氯盐熔液。他的实验将为核工程师提供预测模型,用于设计熔盐堆的盐熔液。

熔盐堆可能成为未来核能工业的基石,使各公司能安全高效地生产无碳能源。但是,研究人员首先必须更好地了解核环境中熔盐液的行为表现。

麻省理工学院(MIT)的实验物理学家鲍里斯·卡科维奇(Boris Khaykovich),在能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)利用中子散射测试熔盐液,这有助于他的科学家同事们做到这一点。他的研究是探索盐在高温下的基本化学和物理性能。有了收集到的数据,他可以创建高保真的模型,预测熔盐液在熔盐堆的强烈辐照环境下的行为表现。

卡科维奇说,可以证明,这种模型对致力将熔盐堆商业化发电的核工程师是无价宝。他希望从实验获得的信息,能帮助他的同事设计盐溶液,并为运行熔盐堆量身定做诊断工具。

卡科维奇说,“熔盐堆可以帮助我们更好地利用核能。这项研究将为工程师们设计和建造这类设备提供新的工具”。

核反应堆的工作原理是利用核裂变产生的热能使水沸腾并产生蒸汽,并用蒸汽驱动汽轮发电机发电。沸水堆直接在反应堆压力容器内烧开水,产生蒸汽;而压水堆则在单独的高压高温水回路内烧开水。在美国,压水堆约占所有核能发电的65%。

正是在这方面,熔盐液可能最有用。与其必须依靠持续保持高压的超高温水,核反应堆可以改用熔盐。熔盐可以加热到极高的温度而不沸腾。这使它能用低压部件,更有效地发电,有可能比压水堆发电的成本更低。

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卡科维奇说,“建造熔盐堆,需要确切了解熔盐液在核环境下的性能表现。”

他解释说,某些熔盐堆的设计,在循环的盐液中包含熔解的核燃料,比如铀。核燃料发生裂变,产生新的化合物,其中大部分仍熔解在盐液内,改变了熔盐的成分,也可能改变它的性能。工程师们需要确切地知道,盐液对反应堆系统的运行产生什么影响,又受到什么影响。

卡科维奇说,“这些都是熔盐堆商业化之前需要解决的基本问题。在基本层面上,燃料、裂变和腐蚀产物会怎么改变盐溶液? 改变盐的组分后,反应堆的性能有什么变化? 设计熔盐堆,这些问题必须有答案”。

为了找到答案,卡科维奇使用了ORNL的散裂中子源装置(SNS)的纳米级定制材料衍射仪(NOMAD)。NOMAD的特点是高温样品环境,用中子衍射仪研究之前,可将样品加热到1500以上。中子是这类研究的最佳手段,因为中子对盐样本中最突出的同位素铬-52和铬-53特别敏感

利用NOMAD,卡科维奇能看到,在盐液中每个带正电的铬离子是如何吸引6个带负电的氯离子,形成八面体网状物。他解释说,由于铬-氯相互吸引,氯离子间的平均距离比在纯氯化钠熔液中更靠近,而在不受铬的影响的钠离子周围环境,则像在纯氯化钠熔液中一样。

然而他指出,铬不是故意添加到熔盐堆盐液中的。因为铬是不需要的杂质,反而因腐蚀熔解进入熔盐。因此了解杂质的影响非常重要。

卡科维奇说,“铬-52的中子散射长度为正,意味着中子受这种同位素的排斥。而铬-53的中子散射长度为负,意味着它吸引中子”。“借助盐液中包含这两种同位素,可以产生一组综合的衍射峰,这就为了解铬在熔液内如何与其他成分相互作用提供了重要的见解,而这只能用中子来完成。”

卡科维奇的研究只是ORNL长期支持与熔盐堆相关科学历史的最新篇章。ORNL建造并运行了迄今为止仅有的、试验过的熔盐堆,而且该实验室仍在为渴望进一步开发这一有前途技术的研究人员提供关键性的资源。

ORNL核科学与工程理事会的反应堆技术集成领导、能源部熔盐堆研究全国技术总监卢·奎尔斯(Lou Qualls)说,“对熔盐堆内盐的行为有基本理解,对设计和取证过程至关重要。使用我们的科学工具,帮助建立这种理解,是最终成功的主要原因”。

卡科维奇说,“我们想用这些数据生成的模型,它对试图设计熔盐堆的工程师,将是一笔巨大的资产”。“在核能的新阶段,中子能发挥重大作用。”

SNS是能源部科学办公室的用户设施。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,还在致力于解决我们时代某些最紧迫的挑战。

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