在这张振荡 UCl3 键的图中，SNS 产生的中子(紫色点)从熔融的 UCl3(绿色表示)散射，显示出其原子结构。黄色和白色形状模拟数据并表示振荡的 UCl3 键。(图片：Alex Ivanov/ORNL)
《美国化学学会杂志》发表了一项关于高温液态三氯化铀 (UCl 3 ) 盐(一种熔盐反应堆的潜在燃料)的动力学和结构的新研究。橡树岭国家实验室最近发布的一份新闻稿描述了来自 ORNL、阿贡国家实验室和南卡罗来纳大学的研究人员如何利用 ORNL 的散裂中子源 (SNS) “首次”记录液态 UCl 3的独特化学性质。
需要知道：研究熔融燃料盐的原子级行为具有挑战性。据 ORNL 称，不仅需要谨慎处理放射性元素，还需要极高的温度——“像火山熔岩一样热”——来熔化盐。一旦熔化，盐就会表现出奇异的离子-离子配位化学，这很难建模。
“这是为未来反应堆的设计提供良好预测模型的第一步，”ORNL 的 Santanu Roy 说道，他是这项研究的共同负责人。“更好地预测和计算微观行为的能力对于设计至关重要，可靠的数据有助于开发更好的模型。”
在与 SNS 光束线科学家共同开发出一种特殊的遏制装置后，研究小组能够测量熔融 UCl 3的化学键长，并观察其达到熔融状态时的行为。
令人着迷的化学反应： “自从我加入 ORNL 担任博士后以来，我一直在研究锕系元素和铀，”ORNL 的研发科学家、同时也是这项研究的共同负责人的亚历克斯·伊万诺夫 (Alex Ivanov) 说道，“但我从未想到我们能够在熔融状态下发现令人着迷的化学反应。”
他们发现，铀原子和氯原子之间的键长平均会随着物质变成液体而缩小，这与许多常见物质(例如水)不同，在这些物质中，键会随热膨胀，随冷收缩。“更有趣的是，在各种成键原子对中，键的大小不一致，它们以振荡模式拉伸，有时键长远大于固体 UCl 3，但也会收缩到极短的键长，”ORNL 表示。
伊万诺夫说：“这是化学领域未知的领域，揭示了极端条件下锕系元素的基本原子结构。”
此外，研究人员发现，当 UCl 3分子内的键达到最紧密和最短的长度时，它们会短暂地呈现共价键而非离子键，并以不到一万亿分之一秒的“极快速度”在这些状态之间振荡。
ORNL 称，这种明显的共价键虽然短暂且具有周期性，“但有助于解释历史研究中描述熔融UCl3行为的一些不一致性”。
ORNL表示，这一发现可能有助于改进未来反应堆设计的实验和计算方法，并可能对锕系元素盐化学的其他应用有用，包括乏核燃料处理。
利用设施： SNS 是美国能源部科学办公室的用户设施，也是世界上最明亮的中子源之一，它使科学家能够进行最先进的中子散射研究，通过测量所研究材料原子核散射的中子的能量、角度和位置来检测材料的位置、运动和磁性。
该项研究是美国能源部极端环境熔盐能源前沿研究中心(MSEE EFRC)的一部分，由布鲁克海文国家实验室牵头。该项研究主要在 SNS 进行，并使用了另外两个 DOE-SC 用户设施：劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心和阿贡的先进光子源。该项研究还利用了 ORNL 的科学计算和数据环境(CADES)的资源。
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