橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員發現了熔融三氯化鈾中突破性的化學成分，對傳統知識提出了挑戰，為核反應器設計和廢料管理的進步鋪平了道路。

在這幅插圖中，SNS（紫色圓點）產生的中子從熔融的UCl3（綠色）上散射開來，顯示出其原子結構。黃色和白色球狀物（模擬資料）代表振蕩的UCI3 鍵。資料來源：Alex Ivanov/ORNL， 美國能源部

美國能源部橡樹嶺國家實驗室在熔鹽反應器技術開發方面處於世界領先地位，其研究人員也進行了必要的基礎科學研究，使核能在未來變得更加有效率。在最近發表在《美國化學學會雜誌》上的一篇論文中，研究人員首次記錄了高溫液態三氯化鈾（UCl3）鹽的獨特化學動力學和結構，這是下一代反應器的潛在核燃料來源。

這項研究的共同負責人、ORNL 的Santanu Roy 說：”這是為未來反應器設計建立良好預測模型的關鍵第一步。更好地預測和計算微觀行為對設計至關重要，可靠的數據有助於於開發更好的模型。

幾十年來，熔鹽反應器一直被認為有能力生產安全且價格合理的核能，20 世紀60 年代，ORNL 的原型實驗成功展示了這項技術。最近，隨著去碳化日益成為世界各國的優先事項，許多國家重新加強了努力，使這種核反應器得到廣泛應用。

這些未來反應器的理想系統設計有賴於對液態燃料鹽行為的了解，這種行為使它們有別於使用固體二氧化鈾顆粒的典型核反應器。這些燃料鹽在原子層級上的化學、結構和動力學行為極難理解，尤其是當它們涉及放射性元素（如鈾所屬的錒系元素）時，因為這些鹽只有在極高溫下才會熔化，並表現出複雜、奇特的離子配位化學性質。

這項研究由ORNL、阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）和南卡羅來納大學（University of South Carolina）合作進行，結合使用了計算方法和位於ORNL的能源部科學辦公室用戶設施–濺射中子源（SNS）來研究熔融狀態下UCl3的化學鍵和原子動力學。

SNS 是世界上最明亮的中子源之一，科學家可以利用它進行最先進的中子散射研究，揭示材料的位置、運動和磁性等細節。當一束中子對準一個樣本時，許多中子會穿過材料，但也有一些中子會直接與原子核相互作用並以一定角度”彈”開，就像台球遊戲中碰撞的球一樣。

科學家利用特殊的探測器對散射的中子進行計數，測量它們的能量和散射角，並繪製它們的最終位置圖。這樣，科學家就可以收集到從液晶到超導陶瓷、從蛋白質到塑膠、從金屬到金屬玻璃磁鐵等各種材料性質的詳細資訊。

每年都有數百名科學家利用ORNL 的SNS 進行研究，最終提高了從手機到藥品等產品的質量，但並非所有科學家都需要在攝氏900度（與火山熔岩一樣高）的高溫下研究放射性鹽。在與SNS 光束線科學家協調制定了嚴格的安全預防措施和特殊的封閉措施後，研究小組得以完成一項前無古人的工作：測量熔融UCl3 的化學鍵長度，並見證了它在達到熔融狀態時的驚人表現。

亞歷克斯-伊万諾夫（Alex Ivanov）說：”自從我作為博士後加入ORNL 以來，我一直在研究鋤頭系元素和鈾，但我從未想到，我們可以進入熔融狀態並發現迷人的化學現象。

他們發現，平均而言，當物質變成液態時，將鈾和氯固定在一起的鍵的距離實際上縮小了–這與化學和生活中常見的熱脹冷縮的典型預期相反。更有趣的是，在各種成鍵的原子對中，鍵的大小並不一致，它們以一種振盪的模式伸展，有時達到比固態UCl3 大得多的鍵長，但也會收緊到極短的鍵長。在液體中，以超高速發生的不同動態也很明顯。

伊凡諾夫說：”這是化學的未知部分，揭示了錒系元素在極端條件下的基本原子結構。”

成鍵資料也出奇地複雜。當UCl3 達到最緊密和最短的鍵長時，它短暫地使鍵合呈現出更多的共價性，而不是其典型的離子性，並再次以極快的速度–不到萬億分之一秒–在這種狀態中進進出出。

觀察到的這段明顯的共價鍵時期雖然短暫且具有週期性，但有助於解釋歷史研究中描述熔融三氯化鈾行為的一些不一致之處。這些發現以及更廣泛的研究結果可能有助於改進未來反應器設計的實驗和計算方法。

此外，這些成果還增進了對錒系元素鹽的基本了解，這可能有助於應對核廢料、熱處理以及涉及該系列元素的其他當前或未來應用所面臨的挑戰。

編譯自/ ScitechDaily