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O Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia é um líder mundial no desenvolvimento de tecnologia de reator de sal fundido — e seus pesquisadores também realizam a ciência fundamental necessária para permitir um futuro onde a energia nuclear se torne mais eficiente. Em um artigo recente publicado no Jornal da Sociedade Química Americana, Pesquisadores documentaram pela primeira vez a dinâmica química e a estrutura únicas do sal de tricloreto de urânio líquido (UCl3) de alta temperatura, uma potencial fonte de combustível nuclear para reatores de próxima geração.
“Este é um primeiro passo crítico para habilitar bons modelos preditivos para o design de futuros reatores”, disse Santanu Roy, do ORNL, que coliderou o estudo. “Uma melhor capacidade de prever e calcular os comportamentos microscópicos é crítica para o design, e dados confiáveis ajudam a desenvolver melhores modelos.”
Por décadas, esperava-se que reatores de sal fundido possuíssem a capacidade de produzir energia nuclear segura e acessível, com experimentos de prototipagem ORNL na década de 1960 demonstrando a tecnologia com sucesso. Recentemente, como a descarbonização se tornou uma prioridade crescente em todo o mundo, muitos países reenergizaram os esforços para tornar esses reatores nucleares disponíveis para uso amplo.
O design ideal do sistema para esses futuros reatores depende de uma compreensão do comportamento dos sais de combustível líquido que os distinguem de reatores nucleares típicos que usam pelotas de dióxido de urânio sólido. O comportamento químico, estrutural e dinâmico desses sais de combustível no nível atômico é desafiador de entender, especialmente quando envolvem elementos radioativos como a série dos actinídeos — à qual o urânio pertence — porque esses sais só derretem em temperaturas extremamente altas e exibem uma química de coordenação íon-íon complexa e exótica.
A pesquisa, uma colaboração entre o ORNL, o Argonne National Laboratory e a Universidade da Carolina do Sul, usou uma combinação de abordagens computacionais e uma instalação de usuário do Escritório de Ciências do DOE baseada no ORNL, a Spallation Neutron Source, ou SNS, para estudar a ligação química e a dinâmica atômica do UCl3 no estado fundido.
O SNS é uma das fontes de nêutrons mais brilhantes do mundo, e permite que cientistas realizem estudos de espalhamento de nêutrons de última geração, que revelam detalhes sobre as posições, movimentos e propriedades magnéticas dos materiais. Quando um feixe de nêutrons é direcionado a uma amostra, muitos nêutrons passarão pelo material, mas alguns interagem diretamente com núcleos atômicos e “quicam” em um ângulo, como bolas colidindo em um jogo de sinuca.
Usando detectores especiais, cientistas contam nêutrons espalhados, medem suas energias e os ângulos em que eles se espalham, e mapeiam suas posições finais. Isso torna possível para cientistas coletar detalhes sobre a natureza de materiais que vão de cristais líquidos a cerâmicas supercondutoras, de proteínas a plásticos, e de metais a ímãs de vidro metálico.
A cada ano, centenas de cientistas usam o SNS do ORNL para pesquisas que, em última análise, melhoram a qualidade de produtos, de celulares a produtos farmacêuticos — mas nem todos precisam estudar um sal radioativo a 900 graus Celsius, que é tão quente quanto lava vulcânica. Após rigorosas precauções de segurança e contenção especial desenvolvidas em coordenação com cientistas da linha de luz do SNS, a equipe conseguiu fazer algo que ninguém havia feito antes: medir os comprimentos de ligação química do UCl3 fundido e testemunhar seu comportamento surpreendente ao atingir o estado fundido.
“Tenho estudado actinídeos e urânio desde que entrei para o ORNL como pós-doutorado”, disse Alex Ivanov, que também coliderou o estudo, “mas nunca imaginei que poderíamos chegar ao estado fundido e encontrar uma química fascinante”.
O que eles descobriram foi que, em média, a distância das ligações que mantinham o urânio e o cloro juntos na verdade diminuía conforme a substância se tornava líquida — ao contrário da expectativa típica de que o calor se expande e o frio se contrai, o que geralmente é verdade na química e na vida. Mais interessante, entre os vários pares de átomos ligados, as ligações eram de tamanho inconsistente, e elas se esticavam em um padrão oscilante, às vezes alcançando comprimentos de ligação muito maiores do que no UCl3 sólido, mas também se estreitando para comprimentos de ligação extremamente curtos. Dinâmicas diferentes, ocorrendo em velocidade ultrarrápida, eram evidentes dentro do líquido.
“Esta é uma parte desconhecida da química e revela a estrutura atômica fundamental dos actinídeos sob condições extremas”, disse Ivanov.
Os dados de ligação também eram surpreendentemente complexos. Quando o UCl3 atingiu seu comprimento de ligação mais curto e apertado, ele brevemente fez com que a ligação parecesse mais covalente, em vez de sua natureza iônica típica, novamente oscilando para dentro e para fora desse estado em velocidades extremamente rápidas — menos de um trilionésimo de segundo.
Este período observado de uma ligação covalente aparente, embora breve e cíclico, ajuda a explicar algumas inconsistências em estudos históricos que descrevem o comportamento do UCl3 fundido. Essas descobertas, juntamente com os resultados mais amplos do estudo, podem ajudar a melhorar as abordagens experimentais e computacionais para o projeto de futuros reatores.
Além disso, esses resultados melhoram a compreensão fundamental dos sais de actinídeos, o que pode ser útil para enfrentar desafios com resíduos nucleares, piroprocessamento e outras aplicações atuais ou futuras envolvendo essa série de elementos.
A pesquisa foi parte do Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center do DOE, ou MSEE EFRC, liderado pelo Brookhaven National Laboratory. A pesquisa foi conduzida principalmente no SNS e também usou duas outras instalações de usuários do DOE Office of Science: o National Energy Research Scientific Computing Center do Lawrence Berkeley National Laboratory e o Advanced Photon Source do Argonne National Laboratory. A pesquisa também alavancou recursos do Compute and Data Environment for Science do ORNL, ou CADES.
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