橡树岭研究人员发现熔融三氯化铀中突破性的化学成分 推动现代核解决方案

在这幅插图中，SNS（紫色圆点）产生的中子从熔融的 UCl3（绿色）上散射开来，显示出其原子结构。黄色和白色球状物（模拟数据）代表振荡的 UCI3 键。资料来源：Alex Ivanov/ORNL， 美国能源部

美国能源部橡树岭国家实验室在熔盐反应堆技术开发方面处于世界领先地位，其研究人员还开展了必要的基础科学研究，使核能在未来变得更加高效。在最近发表在《美国化学学会杂志》上的一篇论文中，研究人员首次记录了高温液态三氯化铀（UCl3）盐的独特化学动力学和结构，这是下一代反应堆的潜在核燃料来源。

这项研究的共同负责人、ORNL 的 Santanu Roy 说："这是为未来反应堆设计建立良好预测模型的关键第一步。更好地预测和计算微观行为对设计至关重要，可靠的数据有助于开发更好的模型。"

几十年来，熔盐反应堆一直被认为有能力生产安全且价格合理的核能，20 世纪 60 年代，ORNL 的原型实验成功展示了这一技术。最近，随着去碳化日益成为世界各国的优先事项，许多国家重新加大了努力，使这种核反应堆得到广泛应用。

这些未来反应堆的理想系统设计有赖于对液态燃料盐行为的了解，这种行为使它们有别于使用固体二氧化铀颗粒的典型核反应堆。这些燃料盐在原子水平上的化学、结构和动力学行为极难理解，尤其是当它们涉及放射性元素（如铀所属的锕系元素）时，因为这些盐只有在极高温度下才会熔化，并表现出复杂、奇特的离子配位化学性质。

这项研究由ORNL、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）和南卡罗来纳大学（University of South Carolina）合作进行，结合使用了计算方法和位于ORNL的能源部科学办公室用户设施--溅射中子源（SNS）来研究熔融状态下UCl3的化学键和原子动力学。

SNS 是世界上最明亮的中子源之一，科学家可以利用它进行最先进的中子散射研究，揭示材料的位置、运动和磁性等细节。当一束中子对准一个样品时，许多中子会穿过材料，但也有一些中子会直接与原子核相互作用并以一定角度"弹"开，就像台球游戏中碰撞的球一样。

科学家利用特殊的探测器对散射的中子进行计数，测量它们的能量和散射角，并绘制它们的最终位置图。这样，科学家们就可以收集到从液晶到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到金属玻璃磁体等各种材料性质的详细信息。

每年都有数百名科学家利用 ORNL 的 SNS 进行研究，最终提高了从手机到药品等产品的质量，但并非所有科学家都需要在 900摄氏度（与火山熔岩一样高）的高温下研究放射性盐。在与 SNS 光束线科学家协调制定了严格的安全预防措施和特殊的封闭措施后，研究小组得以完成一项前无古人的工作：测量熔融 UCl3 的化学键长度，并见证了它在达到熔融状态时的惊人表现。

亚历克斯-伊万诺夫（Alex Ivanov）说："自从我作为博士后加入 ORNL 以来，我一直在研究锕系元素和铀，但我从未想到，我们可以进入熔融状态并发现迷人的化学现象。"

他们发现，平均而言，当物质变成液态时，将铀和氯固定在一起的键的距离实际上缩小了--这与化学和生活中常见的热胀冷缩的典型预期相反。更有趣的是，在各种成键的原子对中，键的大小并不一致，它们以一种振荡的模式伸展，有时达到比固态 UCl3 大得多的键长，但也会收紧到极短的键长。在液体中，以超高速发生的不同动态也很明显。

伊万诺夫说："这是化学的一个未知部分，揭示了锕系元素在极端条件下的基本原子结构。"

成键数据也出奇地复杂。当 UCl3 达到最紧密和最短的键长时，它短暂地使键合呈现出更多的共价性，而不是其典型的离子性，并再次以极快的速度--不到万亿分之一秒--在这种状态中进进出出。

观察到的这段明显的共价键时期虽然短暂且具有周期性，但有助于解释历史研究中描述熔融三氯化铀行为的一些不一致之处。这些发现以及更广泛的研究结果可能有助于改进未来反应堆设计的实验和计算方法。

此外，这些成果还增进了对锕系元素盐的基本了解，这可能有助于应对核废料、热处理以及涉及该系列元素的其他当前或未来应用所面临的挑战。

编译自/ScitechDaily