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.



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.

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.



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.

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.


—Нидия Гальего.