연구진은 전자와 용융 염화아연 염 사이의 상호 작용을 계산적으로 시뮬레이션하여 세 가지 별개의 상태를 발견했습니다. 이번 발견은 미래의 소금 연료 원자로에 방사선이 미치는 영향을 이해하는 데 매우 중요합니다. 이 연구의 통찰력은 방사선 하에서 용융염의 반응성에 대한 추가 연구를 촉진할 것입니다.
과학자들은 용융염에서 세 가지 독특한 전자 상태를 밝혀냈는데, 이는 미래의 소금 연료 원자로의 방사선 영향에 중요한 발견입니다.
첨단 원자로에서 용융염이 어떻게 작용할 수 있는지를 밝히는 데 도움이 되는 과학자들의 발견은 전자가 용융염의 이온과 상호 작용하여 서로 다른 특성을 가진 세 가지 상태를 형성하는 방식을 보여줍니다. 이러한 상태를 이해하면 방사선이 소금 연료 원자로 성능에 미치는 영향을 예측하는 데 도움이 될 수 있습니다.
미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)와 아이오와 대학교(University of Iowa) 연구원들은 무슨 일이 일어나는지 알아보기 위해 용융 염화아연 염에 과잉 전자를 도입하는 것을 계산적으로 시뮬레이션했습니다.
그들은 세 가지 가능한 시나리오를 발견했습니다. 어떤 경우에는 전자가 두 개의 아연 이온을 포함하는 분자 라디칼의 일부가 됩니다. 다른 경우에는 전자가 단일 아연 이온에 국한됩니다. 세 번째 경우에는 전자가 여러 염 이온에 분산되거나 확산됩니다.
방사선에 노출되면 용융된 염화아연(또는 ZnCl2)에서 생성된 전자는 세 가지 다른 단일 점유 분자 궤도 상태와 더 확산되고 분산된 상태에서 관찰될 수 있습니다. 출처: Hung H. Nguyen/아이오와 대학교
미래 원자로 설계에 대한 시사점
용융염 원자로가 미래의 원자력 발전소를 위해 고려되고 있는 원자로 설계 중 하나이기 때문에 "가장 큰 문제는 용융염이 높은 방사선에 노출될 때 어떤 일이 발생하는가"라고 연구에 참여한 과학자 중 한 명이자 논문의 저자인 ORNL의 화학 분리 그룹 리더인 Vyacheslav Bryantsev가 말했습니다. "이러한 첨단 원자로 개념에서 연료를 운반하는 데 사용되는 소금은 어떻게 되나요?
아이오와 대학의 화학 교수이자 이번 연구의 연구자이자 저자 중 한 명인 클라우디오 마굴리스(Claudio Margulis)는 "전자가 염과 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 것이 매우 중요합니다. 우리는 연구를 통해 매우 짧은 시간 내에 전자가 아연 이합체, 단량체의 형성을 촉진할 수 있고 또한 비편재화될 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 더 긴 시간 규모에서 이들 종은 더 상호 작용하여 다른 더 복잡한 종을 형성할 수 있다고 생각할 수 있습니다."라고 말했습니다.
이 연구에서 과학자들은 핵연료나 기타 에너지원에 의해 생성된 방사선에서 나오는 전자가 용융염을 구성하는 이온과 어떻게 반응하는지 이해하고 싶었습니다.
"이 연구는 이러한 모든 질문에 답할 수는 없지만 전자가 염과 상호 작용하는 방식에 대한 더 깊은 조사의 시작입니다"라고 Margulis는 말했습니다.
잠재적인 장기 상호 작용 및 발표된 결과
"우리의 첫 번째 원리 분자 역학 계산에 따르면 이 세 가지 종은 매우 짧은 시간에 용융물에서 형성될 수 있으며, 이는 더 긴 시간 내에 어떤 다른 종이 형성될 수 있는지에 대한 의문을 제기합니다. 우리는 아직 이에 대한 답을 얻지 못했습니다. 한 가지 옵션은 전자가 원래 종으로 돌아갈 수 있다는 것입니다"라고 Magris는 말했습니다. ; 예를 들어, 염소 라디칼은 전자를 회수하여 염화물을 형성할 수 있습니다. 또 다른 가능성은 라디칼 종이 더 복잡한 방식으로 반응할 수 있다는 것이며, 특히 흥미로운 점은 방사선에 의해 충분한 라디칼이 생성되면 이러한 라디칼이 가까이 접근하여 반응하여 더 복잡한 종을 형성할 수 있다는 것입니다."
아이오와 주립대 대학원생 Hung Nguyen과 함께 연구진은 미국 화학 학회(American Chemical Society)의 물리화학 저널(Journal of Physical Chemistry B)에 "고온 용융 염이 과잉 전자와 반응합니까?"라는 제목의 논문을 통해 연구 결과를 발표했습니다. "The Case of ZnCl2"는 American Chemical Society Editor's Choice Paper로 선정되었습니다. 이는 American Chemical Society가 모든 논문 중에서 광범위한 대중의 관심을 끄는 논문에 수여하는 영예입니다. 해당 논문은 잡지 표지로도 선정됐다.
이 연구는 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)가 이끄는 에너지부의 극한 환경 에너지 프론티어 연구 센터(MSEEEFRC)의 용융염의 일부입니다. EFRC는 기초 에너지 과학 연구의 최전선에서 가장 어려운 주요 과학적 과제를 해결하기 위해 창의적인 다학제적, 다기관 연구자 팀을 모으는 에너지부 기초 에너지 과학실에서 자금을 지원하는 기초 연구 프로그램입니다.
더 넓은 의미
MSEEEFRC 소장인 Brooksea의 문화 과학자 James Wishart는 "이 연구는 용융염 원자로에서 방사선에 의해 생성된 과잉 전자가 어떻게 다양한 형태의 반응성을 가질 수 있는지 보여주기 때문에 중요합니다. MSEE 팀의 다른 구성원과 저는 이러한 다른 형태의 반응성을 실험적으로 결정하려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다.
Bryantsev는 “이 연구는 전자가 용융염과 어떻게 상호작용하는지에 대한 통찰력을 제공합니다. "아직 답을 얻지 못한 질문이 많이 있습니다. 예를 들어, 이러한 상호 작용은 다른 소금에서 발생하는 것과 유사합니까?"
논문 제1저자인 Nguyen은 "나는 Margulis 교수, Bryantsev 박사 및 MSEE 프로젝트의 다른 구성원들과 계속 협력하여 다른 소금 시스템을 연구함으로써 연구를 확장할 것"이라고 말했습니다. "우리는 방사선이 용융염에 미치는 영향에 대한 더 많은 질문에 답할 수 있기를 바랍니다."