Ученые из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) разработали инновационный метод отслеживания химических изменений в расплавленной соли в режиме реального времени. Это достижение, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, представляет собой значительный прорыв в развитии реакторов на расплавленных солях, которые могут стать важным элементом энергетики будущего.
Реакторы на расплавленных солях используют жидкую соль для растворения урана, выполняющую двойную функцию — и теплоносителя, и топлива. Исторически ORNL уже эксплуатировала два экспериментальных реактора такого типа в 1950-х и 1960-х годах. Хотя в настоящее время в США нет действующих реакторов на расплавленных солях, интерес к ним возрождается благодаря их потенциальным преимуществам в безопасности, эффективности и возможности производства радиоизотопов.
Ключевым элементом нового исследования стало применение технологии лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) для измерения элементов и идентификации изотопов в расплавленной соли. Это первый случай использования LIBS для такой цели. Процесс работает следующим образом: лазер создает плазму, которая излучает свет, а затем этот свет анализируется для определения элементного и изотопного состава. Исследователи использовали модульную LIBS-платформу с несколькими спектрометрами, одновременно собирающими информацию.
Исследовательская группа под руководством Хантера Эндрюса, научного сотрудника ORNL и автора статьи, включала соавторов Зехарию Китцхабера, Даниэля Ореа и Джоанну Макфарлейн, также из ORNL. Команда провела серию экспериментов, чтобы продемонстрировать возможности новой технологии.
В ходе экспериментального процесса ученые создали смесь солей нитрата натрия и нитрата калия, нагрели ее до 350°C для перехода в жидкое состояние, а затем использовали аргон для пропускания двух изотопов водорода через расплавленную соль. С помощью LIBS-технологии они измерили скорость диффузии и растворимость газа в соли, а также смогли различить водород и воду путем одновременного обнаружения кислорода.
Значимость этого исследования трудно переоценить. LIBS может измерять различные элементы и изотопы в реальном времени в расплавленной соли, оценивать скорости диффузии и растворимость газов, помогать понимать химические реакции в расплавленной соли и различать похожие соединения. Потенциально эта технология может быть применена для мониторинга работающих реакторов.
В сравнении с текущими легководными реакторами, используемыми в коммерческой энергетике США, реакторы на расплавленных солях имеют ряд преимуществ. Они используют жидкий теплоноситель и топливо, циркулирующие через активную зону, что позволяет генерировать электроэнергию более эффективно. Кроме того, радиоизотопы могут быть извлечены во время работы реактора, что открывает дополнительные возможности применения. LIBS-спектроскопия помогает идентифицировать присутствующие изотопы в режиме реального времени, что критически важно для безопасной и эффективной эксплуатации таких реакторов.
Разработка LIBS-технологии для мониторинга расплавленных солей может стать ключевым фактором, способствующим возрождению интереса к реакторам на расплавленных солях и их потенциальному внедрению в энергетическую систему будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
Реакторы на расплавленных солях используют жидкую соль для растворения урана, выполняющую двойную функцию — и теплоносителя, и топлива. Исторически ORNL уже эксплуатировала два экспериментальных реактора такого типа в 1950-х и 1960-х годах. Хотя в настоящее время в США нет действующих реакторов на расплавленных солях, интерес к ним возрождается благодаря их потенциальным преимуществам в безопасности, эффективности и возможности производства радиоизотопов.
Ключевым элементом нового исследования стало применение технологии лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (LIBS) для измерения элементов и идентификации изотопов в расплавленной соли. Это первый случай использования LIBS для такой цели. Процесс работает следующим образом: лазер создает плазму, которая излучает свет, а затем этот свет анализируется для определения элементного и изотопного состава. Исследователи использовали модульную LIBS-платформу с несколькими спектрометрами, одновременно собирающими информацию.
Исследовательская группа под руководством Хантера Эндрюса, научного сотрудника ORNL и автора статьи, включала соавторов Зехарию Китцхабера, Даниэля Ореа и Джоанну Макфарлейн, также из ORNL. Команда провела серию экспериментов, чтобы продемонстрировать возможности новой технологии.
В ходе экспериментального процесса ученые создали смесь солей нитрата натрия и нитрата калия, нагрели ее до 350°C для перехода в жидкое состояние, а затем использовали аргон для пропускания двух изотопов водорода через расплавленную соль. С помощью LIBS-технологии они измерили скорость диффузии и растворимость газа в соли, а также смогли различить водород и воду путем одновременного обнаружения кислорода.
Значимость этого исследования трудно переоценить. LIBS может измерять различные элементы и изотопы в реальном времени в расплавленной соли, оценивать скорости диффузии и растворимость газов, помогать понимать химические реакции в расплавленной соли и различать похожие соединения. Потенциально эта технология может быть применена для мониторинга работающих реакторов.
В сравнении с текущими легководными реакторами, используемыми в коммерческой энергетике США, реакторы на расплавленных солях имеют ряд преимуществ. Они используют жидкий теплоноситель и топливо, циркулирующие через активную зону, что позволяет генерировать электроэнергию более эффективно. Кроме того, радиоизотопы могут быть извлечены во время работы реактора, что открывает дополнительные возможности применения. LIBS-спектроскопия помогает идентифицировать присутствующие изотопы в режиме реального времени, что критически важно для безопасной и эффективной эксплуатации таких реакторов.
Разработка LIBS-технологии для мониторинга расплавленных солей может стать ключевым фактором, способствующим возрождению интереса к реакторам на расплавленных солях и их потенциальному внедрению в энергетическую систему будущего.
