Разработан новый способ наблюдения за проникновением расплавленной соли в графит ядерной чистоты
Во время революционного эксперимента с реактором, взаимодействующим с расплавленной солью (Molten Salt Reactor Experiment, или MSRE), ученые впервые продемонстрировали возможность ядерных реакций деления с использованием фторидной соли как носителя топлива и охлаждающей среды вместо твердого топлива и воды. Проекты реакторов на расплавленной соли обещают значительные возможности для генерации безуглеродной электроэнергии.
Для замедления нейтронов, чтобы они могли легко инициировать ядерные реакции деления, ядерные реакторы используют материал, называемый модератором. В качестве модератора для MSRE ученые использовали синтетический графит, который устойчив к термическому шоку и стабилен с точки зрения размеров благодаря своей обширной системе пор, образованной в процессе производства.
Графит для MSRE был изготовлен на заказ и обладал особым покрытием, которое уменьшало пористость и защищало от возможных последствий, возникающих в момент, когда гидравлическое и газовое давление заставляют расплавленную соль проникать в поры графита. Более того, предотвращение проникновения расплавленной соли решает ряд дополнительных проблем с утилизацией при демонтаже реактора.
После завершения эксперимента в 1969 году потенциал реакторов на расплавленной соли оставался почти неисследованным до начала 21 века, и низкий спрос на специализированный графит привел к прекращению производства на внутреннем рынке. С увеличением исследований реакторов на расплавленной соли, но без специально подготовленного графита, ученым приходится искать альтернативный графит для успешной модерации ядерных реакций в расплавленных солях.
Однако неопределенность в отношении воздействия проникновения расплавленной соли создает преграду для дальнейших исследований. Ученые имеют ограниченное представление о микроскопических свойствах, позволяющих некоторым видам графита лучше сопротивляться проникновению соли, и о том, как проникновение соли влияет на графит.

Используя нейтронную визуализацию, ученые наблюдали и реконструировали проникновение расплавленной соли в графит.
Желая найти новый способ наблюдения за данным процессом, команда ученых из отдела энергетики национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) под руководством Нидии Гальего и Джису Муна изучила проникновение расплавленной соли в различные виды графита и разработала первый метод визуализации и мониторинга глубины проникновения и распределения расплавленной соли в порах графита.
— Нидия Гальего, научный сотрудник отдела химических наук национальной лаборатории Ок-Ридж.
Традиционно ученые измеряли проникновение соли, взвешивая графит до и после контакта с расплавленной солью. Исследователи из ORNL надеялись получить более детальное представление о проникновении, фактически рассматривая, что происходит внутри графита. Чтобы оценить проникновение соли, в начале исследований была использована рентгеновская томография, но этот трудоемкий метод требовал образцов меньшего размера и не предоставлял достаточно данных для близкого изучения внутренних пор графита.
Затем команда перешла к нейтронному изображению, которое подходит для более объемных образцов. Используя инструмент Multimodal Advanced Radiography Station на реакторе высокого потока изотопов (High Flux Isotope Reactor, HFIR), исследователям удалось впервые 3D-визуализировать распределение расплавленной соли в порах графита, что стало первым крупным достижением команды.
В нейтронном изображении коэффициенты затухания нейтронов, описывающие, как нейтронный луч уменьшается при прохождении через материал, сильно различаются между графитом и фторидной солью. Это явление создало сильный визуальный контраст между материалами, который исследователи наблюдали при восстановлении срезов графита.
С помощью трехмерных реконструкций было проведено сравнение проникновения расплавленной соли в поры графита для частиц разных размеров. При конкретных значениях давления и температуры, использованных в экспериментах с воздействием соли, исследователи определили, что в большинстве сверхтонких графитов проникновение было неравномерным, ограничивалось первыми несколькими миллиметрами ниже поверхности графита и локализовалось вокруг периметра сечения образца. В средней и тонкой графитовой структуре, у которой более крупные поры, чем у сверхтонкой графитовой структуры, соль проникала глубже в материал и полностью покрывала площадь сечения образца.

Проникновение расплавленной соли в графит варьируется в зависимости от размера графита. В среднем и тонком графите, который имеет более крупные поры, чем в сверхтонком графите, соль проникает глубже в материал.
В результате исследования команда ученых определила микроструктуру графита, описывающую размер и распределение пор, как наиболее важный фактор, определяющий степень проникновения расплавленной соли и распределение плотности при заданных температуре и давлении.
—Джису Мун, научный сотрудник отдела исследований радиоизотопной науки и технологий.
После публикации своих результатов в журнале «Carbon», Гальего и Мун продолжают исследования, целью которых является увеличение разрешения нейтронного изображения и наблюдение за проникновением расплавленной соли при изменяющейся температуре, давлении и времени.
—Нидия Гальего.
Для замедления нейтронов, чтобы они могли легко инициировать ядерные реакции деления, ядерные реакторы используют материал, называемый модератором. В качестве модератора для MSRE ученые использовали синтетический графит, который устойчив к термическому шоку и стабилен с точки зрения размеров благодаря своей обширной системе пор, образованной в процессе производства.
Графит для MSRE был изготовлен на заказ и обладал особым покрытием, которое уменьшало пористость и защищало от возможных последствий, возникающих в момент, когда гидравлическое и газовое давление заставляют расплавленную соль проникать в поры графита. Более того, предотвращение проникновения расплавленной соли решает ряд дополнительных проблем с утилизацией при демонтаже реактора.
После завершения эксперимента в 1969 году потенциал реакторов на расплавленной соли оставался почти неисследованным до начала 21 века, и низкий спрос на специализированный графит привел к прекращению производства на внутреннем рынке. С увеличением исследований реакторов на расплавленной соли, но без специально подготовленного графита, ученым приходится искать альтернативный графит для успешной модерации ядерных реакций в расплавленных солях.
Однако неопределенность в отношении воздействия проникновения расплавленной соли создает преграду для дальнейших исследований. Ученые имеют ограниченное представление о микроскопических свойствах, позволяющих некоторым видам графита лучше сопротивляться проникновению соли, и о том, как проникновение соли влияет на графит.

Используя нейтронную визуализацию, ученые наблюдали и реконструировали проникновение расплавленной соли в графит.
Желая найти новый способ наблюдения за данным процессом, команда ученых из отдела энергетики национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) под руководством Нидии Гальего и Джису Муна изучила проникновение расплавленной соли в различные виды графита и разработала первый метод визуализации и мониторинга глубины проникновения и распределения расплавленной соли в порах графита.
Для нас, как для ученых-материаловедов, важно помочь в разработке и тестировании методов, которые мы можем использовать. Важно хотя бы иметь более четкое представление, что нам нужно сделать, чтобы понять, как соль, попадающая в поры, может влиять на механические или тепловые свойства графита
— Нидия Гальего, научный сотрудник отдела химических наук национальной лаборатории Ок-Ридж.
Методом проб и ошибок
Традиционно ученые измеряли проникновение соли, взвешивая графит до и после контакта с расплавленной солью. Исследователи из ORNL надеялись получить более детальное представление о проникновении, фактически рассматривая, что происходит внутри графита. Чтобы оценить проникновение соли, в начале исследований была использована рентгеновская томография, но этот трудоемкий метод требовал образцов меньшего размера и не предоставлял достаточно данных для близкого изучения внутренних пор графита.
Затем команда перешла к нейтронному изображению, которое подходит для более объемных образцов. Используя инструмент Multimodal Advanced Radiography Station на реакторе высокого потока изотопов (High Flux Isotope Reactor, HFIR), исследователям удалось впервые 3D-визуализировать распределение расплавленной соли в порах графита, что стало первым крупным достижением команды.
В нейтронном изображении коэффициенты затухания нейтронов, описывающие, как нейтронный луч уменьшается при прохождении через материал, сильно различаются между графитом и фторидной солью. Это явление создало сильный визуальный контраст между материалами, который исследователи наблюдали при восстановлении срезов графита.
С помощью трехмерных реконструкций было проведено сравнение проникновения расплавленной соли в поры графита для частиц разных размеров. При конкретных значениях давления и температуры, использованных в экспериментах с воздействием соли, исследователи определили, что в большинстве сверхтонких графитов проникновение было неравномерным, ограничивалось первыми несколькими миллиметрами ниже поверхности графита и локализовалось вокруг периметра сечения образца. В средней и тонкой графитовой структуре, у которой более крупные поры, чем у сверхтонкой графитовой структуры, соль проникала глубже в материал и полностью покрывала площадь сечения образца.

Проникновение расплавленной соли в графит варьируется в зависимости от размера графита. В среднем и тонком графите, который имеет более крупные поры, чем в сверхтонком графите, соль проникает глубже в материал.
В результате исследования команда ученых определила микроструктуру графита, описывающую размер и распределение пор, как наиболее важный фактор, определяющий степень проникновения расплавленной соли и распределение плотности при заданных температуре и давлении.
Проникновение расплавленной соли может существенно влиять на работу реакторов. Эти исследования могут помочь нам оценить воздействие соли на материалы из графита и, таким образом, помочь разработать более стандартизированные методы для проектирования правильных графитовых структур
—Джису Мун, научный сотрудник отдела исследований радиоизотопной науки и технологий.
Будущее проекта
После публикации своих результатов в журнале «Carbon», Гальего и Мун продолжают исследования, целью которых является увеличение разрешения нейтронного изображения и наблюдение за проникновением расплавленной соли при изменяющейся температуре, давлении и времени.
С технической точки зрения существует еще множество улучшений и доработок, которые возможны и интересны ученым, и которые также предоставят нам много информации о динамике и кинетике процесса
—Нидия Гальего.
- Алексей Павлов
- Yuxuan Zhang, Nidia Gallego, Jisue Moon/ORNL, U.S. Dept. of Energy
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...