研究人員透過計算模擬了電子與熔融氯化鋅鹽之間的相互作用，發現了三種截然不同的狀態。這項發現對於了解輻射對未來以鹽為燃料的核反應器的影響至關重要。這項研究的洞察力將推動對輻射下熔鹽反應性的進一步研究。

科學家揭示了熔鹽中三種獨特的電子狀態，這項發現對未來以鹽為燃料的核反應器的輻射影響至關重要。

科學家們的一項發現有助於闡明先進核反應器中的熔鹽可能會有怎樣的行為，該發現顯示了電子與熔鹽中的離子相互作用會形成三種具有不同性質的狀態。了解這些狀態有助於預測輻射對鹽燃料反應器性能的影響。

來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室和愛荷華大學的研究人員透過計算模擬了在熔融氯化鋅鹽中引入過量電子的情況，以了解會發生什麼。

他們發現了三種可能的情況。一種情況是，電子成為包含兩個鋅離子的分子自由基的一部分。另一種情況是，電子定位於單一鋅離子上。在第三種情況中，電子被分散，或擴散到多個鹽離子上。

當暴露在輻射下時，可以觀察到熔融氯化鋅（或ZnCl2）中產生的電子處於三種不同的單佔據分子軌道狀態，以及一種更擴散、更分散的狀態。資料來源：Hung H. Nguyen/愛荷華大學

對未來反應器設計的影響

由於熔鹽反應器是未來核電廠正在考慮的反應器設計之一，”最大的問題是當熔鹽暴露在高輻射下會發生什麼”，ORNL 化學分離組組長Vyacheslav Bryantsev 說，他是這項研究的科學家之一，也是論文的作者。”在這些先進的反應器概念中，用於攜帶燃料的鹽會發生什麼變化？

愛荷華大學化學教授克勞迪奧-馬格里斯（Claudio Margulis）也是這項研究的調查員和作者之一，他說：”弄清楚電子如何與鹽相互作用非常重要。我們從研究中看到，在很短的時間內，電子可以促進鋅二聚體、單體的形成，也可以去定位。可以想像，在更長的時間尺度上，這些物種可以進一步相互作用，形成其他更複雜的物種”。

在這項研究中，科學家希望了解因核燃料或其他能源產生的輻射而出現的電子將如何與構成熔鹽的離子反應。

Margulis說：「這項研究並沒有回答所有這些問題，但它是更深入研究電子如何與鹽相互作用的一個開端。”

潛在的長期交互作用和已發表的研究結果

馬格里斯介紹說：”我們的第一原理分子動力學計算顯示，這三種物質可以在很短的時間內在熔體中形成，這就引出了一個問題：還有哪些物質可以在更長的時間內形成。我們對此還沒有答案。一種選擇是電子可以返回到它們來自的物種中；例如，氯自由基可以取回一個電子形成氯化物。另一種可能是，自由基物種可能會以更複雜的方式反應。尤其令人感興趣的是，當輻射產生足夠多的自由基時，這些自由基可能會靠近；這時它們可能會發生反應，形成更複雜的物種。”

研究人員與愛荷華州研究生Hung Nguyen 一起在美國化學學會的《物理化學雜誌B》上發表了他們的研究成果，論文題為《高溫熔鹽是否會與過剩電子發生反應？ZnCl2 的案例》被選為美國化學學會編輯推薦論文，這是美國化學學會從其所有論文中選出的一篇具有廣泛公眾興趣的論文所授予的榮譽。該論文也被選為該雜誌的封面。

這項研究是能源部”極端環境中的熔鹽能源前沿研究中心”（Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center，簡稱MSEE EFRC）的一部分，由布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）領導。EFRC 是由能源部基礎能源科學辦公室資助的一項基礎研究計劃，該計劃匯集了具有創造性的多學科和多機構研究人員團隊，以解決基礎能源科學研究前沿最嚴峻的重大科學挑戰。

更廣泛的意義

“這項研究之所以重要，是因為它展示了熔鹽反應器中輻射產生的過剩電子如何具有多種形式的反應性。我和MSEE 團隊的其他成員正試圖透過實驗確定這些其他形式的反應性， “MSEE EFRC 主任、布魯克海文化學家James Wishart 說。

“這項研究讓我們對電子如何與熔鹽相互作用有了一定的了解，”Bryantsev 說。”還有很多問題尚未解決。例如，這種相互作用是否與其他鹽類發生的情況類似？”

論文第一作者Nguyen 說：「我將繼續與Margulis 教授、Bryantsev 博士以及MSEE 計畫的其他成員合作，透過研究其他鹽系統來擴展我們的研究。希望我們能回答更多關於輻射對熔鹽影響的問題。