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
Кто убивает итальянских волков: зоологи были потрясены кадрами с автоматической камеры
Трагический эпизод показал, что некоторые зоологические теории придется кардинально пересмотреть. У серых хищников есть неожиданные враги...
Очередной миф Николая Карамзина полностью развеян российскими археологами
Оказалось, что Иван Грозный не убивал супругу своего младшего брата. Напротив, с княгиней Ульянией Углицкой случалась куда более таинственная и запутанная...
Самая запрещенная русская сказка: почему «Курочку Рябу» не любили ни цари, ни руководители СССР?
Чтобы эту историю можно было рассказывать советским детям, ее сюжет пришлось изменить самым радикальным образом. Но, может быть, это и к лучшему...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
300-летний секрет «золотых» скрипок Страдивари наконец-то разгадан?
И почему ученые в поисках тайны забрели в отдаленную долину в самом сердце Итальянских Альп?...
80 лет без Звезды Героя: почему офицер, поставивший Знамя Победы, не получил заслуженную награду при жизни?
Только указ Президента России смог исправить одну из самых вопиющих несправедливостей в советской истории...
Гениальное ДНК-«мошенничество»: ученые раскрыли секрет рыбы, которая плевать хотела на главные законы биологии
100 000 лет успешного клонирования: амазонская моллинезия просто... копирует себя. И при этом удивительно успешно ремонтируют поврежденные гены, насмехаясь над...
«Кровавая» история водопада Блад-Фоллс: почему ученые сравнивают это место с Марсом?
Эта антарктическая аномалия больше века не давала покоя исследователям, но в 2018 году завеса тайны все же приоткрылась...
Каменный топор со дна реки может переписать древнейшую историю Сибири
По словам ученых, получился отличный научный детектив: добыча золота, артефакт бронзового века, забытая цивилизация...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...
43 000 черепков открыли тысячелетние тайны Древнего Египта
Почему глиняная библиотека Атрибиса потрясла весь археологический мир?...
Главный секрет человеческого дыхания: ученые рассказали, почему мы дышим «вахтовым методом»
Эксперты предупреждают: из-за особенности организма многие люди не смогут попасть в космос. Но решение все-таки есть...