El Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía es un líder mundial en el desarrollo de tecnología de reactores de sales fundidas, y sus investigadores además realizan la ciencia fundamental necesaria para posibilitar un futuro en el que la energía nuclear sea más eficiente. En un artículo reciente publicado en la revista Revista de la Sociedad Química Americana, Los investigadores han documentado por primera vez la dinámica química y la estructura únicas de la sal de tricloruro de uranio líquido de alta temperatura (UCl3), una fuente potencial de combustible nuclear para reactores de próxima generación.
«Este es un primer paso fundamental para lograr buenos modelos predictivos para el diseño de futuros reactores», afirmó Santanu Roy, del ORNL, uno de los líderes del estudio. «Una mejor capacidad para predecir y calcular los comportamientos microscópicos es fundamental para el diseño, y los datos fiables ayudan a desarrollar mejores modelos».
Durante décadas se ha esperado que los reactores de sales fundidas tuvieran la capacidad de producir energía nuclear segura y asequible, y los experimentos de creación de prototipos del ORNL en la década de 1960 demostraron con éxito esta tecnología. Recientemente, a medida que la descarbonización se ha convertido en una prioridad cada vez mayor en todo el mundo, muchos países han renovado sus esfuerzos para que esos reactores nucleares estén disponibles para un uso generalizado.
El diseño ideal de sistemas para estos futuros reactores se basa en la comprensión del comportamiento de las sales de combustible líquido que los distinguen de los reactores nucleares típicos que utilizan pastillas de dióxido de uranio sólido. El comportamiento químico, estructural y dinámico de estas sales de combustible a nivel atómico es difícil de entender, especialmente cuando involucran elementos radiactivos como la serie de los actínidos (a la que pertenece el uranio), porque estas sales solo se funden a temperaturas extremadamente altas y presentan una química de coordinación ion-ion compleja y exótica.
La investigación, una colaboración entre ORNL, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Carolina del Sur, utilizó una combinación de enfoques computacionales y una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE basada en ORNL, la Fuente de Neutrones por Espalación, o SNS, para estudiar el enlace químico y la dinámica atómica del UCl3 en estado fundido.
El SNS es una de las fuentes de neutrones más brillantes del mundo y permite a los científicos realizar estudios de dispersión de neutrones de última generación, que revelan detalles sobre las posiciones, los movimientos y las propiedades magnéticas de los materiales. Cuando se dirige un haz de neutrones a una muestra, muchos neutrones atravesarán el material, pero algunos interactuarán directamente con los núcleos atómicos y «rebotarán» en un ángulo, como si fueran bolas que chocan en una partida de billar.
Mediante detectores especiales, los científicos cuentan los neutrones dispersos, miden sus energías y los ángulos en los que se dispersan y trazan un mapa de sus posiciones finales. Esto permite a los científicos obtener detalles sobre la naturaleza de materiales que van desde cristales líquidos hasta cerámicas superconductoras, desde proteínas hasta plásticos y desde metales hasta imanes de vidrio metálico.
Cada año, cientos de científicos utilizan el SNS de ORNL para realizar investigaciones que, en última instancia, mejoran la calidad de productos, desde teléfonos celulares hasta productos farmacéuticos, pero no todos ellos necesitan estudiar una sal radiactiva a 900 grados Celsius, que es tan caliente como la lava volcánica. Después de rigurosas precauciones de seguridad y una contención especial desarrollada en coordinación con los científicos de la línea de luz SNS, el equipo pudo hacer algo que nadie había hecho antes: medir las longitudes de los enlaces químicos del UCl3 fundido y presenciar su sorprendente comportamiento cuando alcanzó el estado fundido.
«He estado estudiando actínidos y uranio desde que me uní a ORNL como postdoctorado», dijo Alex Ivanov, quien también codirigió el estudio, «pero nunca esperé que pudiéramos llegar al estado fundido y encontrar una química fascinante».
Lo que descubrieron fue que, en promedio, la distancia de los enlaces que mantenían unidos al uranio y al cloro en realidad se reducía a medida que la sustancia se volvía líquida, contrariamente a la expectativa típica de que el calor se expande y el frío se contrae, lo que suele ser cierto en la química y la vida. Más interesante aún, entre los diversos pares de átomos enlazados, los enlaces eran de tamaño inconsistente y se estiraban en un patrón oscilante, a veces alcanzando longitudes de enlace mucho mayores que en el UCl3 sólido, pero también estrechándose hasta longitudes de enlace extremadamente cortas. Se evidenciaron diferentes dinámicas, que se producían a una velocidad ultrarrápida, dentro del líquido.
«Esta es una parte desconocida de la química y revela la estructura atómica fundamental de los actínidos en condiciones extremas», afirmó Ivanov.
Los datos de enlace también fueron sorprendentemente complejos. Cuando el UCl3 alcanzó su longitud de enlace más estrecha y más corta, provocó que el enlace pareciera más covalente, en lugar de su naturaleza iónica típica, oscilando nuevamente dentro y fuera de este estado a velocidades extremadamente rápidas: menos de una billonésima de segundo.
Este período observado de un enlace covalente aparente, aunque breve y cíclico, ayuda a explicar algunas inconsistencias en los estudios históricos que describen el comportamiento del UCl3 fundido. Estos hallazgos, junto con los resultados más amplios del estudio, pueden ayudar a mejorar los enfoques experimentales y computacionales para el diseño de futuros reactores.
Además, estos resultados mejoran la comprensión fundamental de las sales de actínidos, lo que puede ser útil para abordar los desafíos relacionados con los desechos nucleares, el piroprocesamiento y otras aplicaciones actuales o futuras que involucran esta serie de elementos.
La investigación fue parte del Centro de Investigación de Fronteras Energéticas de Sales Fundidas en Entornos Extremos (MSEE EFRC) del Departamento de Energía, dirigido por el Laboratorio Nacional de Brookhaven. La investigación se llevó a cabo principalmente en el SNS y también utilizó otras dos instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía: el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Fuente Avanzada de Fotones del Laboratorio Nacional Argonne. La investigación también aprovechó recursos del Entorno de Datos y Computación para la Ciencia (CADES) del ORNL.
