Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
تُظهر هذه الورقة طريقة كهروكيميائية فعالة وخالية من الكواشف لتحضير ملح مصهور من في خلية ذات مرشح فاصل باستخدام مهبط من البزموت، والتي تحقق بنجاح كفاءات تيار عالية وتحكماً دقيقاً في التركيز دون إدخال شوائب معدنية أو غازات مسببة للتآكل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في السعي نحو تزويد المستقبل بالطاقة، ينظر العلماء إلى الوراء نحو نوع محدد من المفاعلات النووية التي تعمل بالمعادن السائلة بدلاً من الماء. هذه الآلات، المعروفة باسم المفاعلات السريعة المبردة بالصوديوم، توفر وسيلة لإعادة استخدام الوقود النووي المستنفد، محولةً ما يُعتبر عادةً نفايات إلى مورد. ومع ذلك، لجعل عملية إعادة التدوير هذه ناجحة، يجب على المهندسين فصل الأجزاء المفيدة من الوقود عن الأجزاء غير المفيدة. وتتم هذه العملية، التي تسمى "المعالجة الحرارية الملحية" (pyroprocessing)، في حمام من الملح المنصهر، والذي يعمل كإسفنجة كيميائية سائلة. وللحفاظ على فعالية هذه الإسفنجة، يجب شحنها مسبقاً بمركب كيميائي محدد يسمى ثلاثي كلوريد اليورانيوم. تقليدياً، كان صنع هذا المركب عملية فوضوية وخطيرة، حيث تتطلب غالباً غازات سامة أو معادن ثقيلة يمكن أن تلوث المنتج النهائي. وكان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لإنتاج هذا المكون الأساسي بشكل نظيف وآمن، ودون إدخال شوائب جديدة في النظام الدقيق.
قام فريق من الباحثين من جامعة هاربين للهندسة والمعهد الصيني للطاقة الذرية بتطوير طريقة جديدة لحل هذه المشكلة. فبدلاً من استخدام الغازات الخطرة أو إضافة مواد كيميائية إضافية، قاموا ببناء خلية خاصة تستخدم الكهرباء لتحويل معدن اليورانيوم الصلب مباشرة إلى مركب الملح المطلوب. ينقسم الإعداد إلى غرفتين منفصلتين بواسطة حاجز زجاجي مسامي، يشبه المنخل الدقيق جداً. في إحدى الغرف، وضعوا قطعة من معدن اليورانيوم الصلب. وفي الغرفة الأخرى، وضعوا حوضاً من البزموت السائل، وهو معدن فضي ينصهر عند درجات حرارة منخفضة نسبياً. وقد مُلئ النظام بأكمله بمزيج منصهر من كلوريد الليثيوم وكلوريد البوتاسيوم، مع تسخينه إلى درجة حرارة 773 كلفن، وهي درجة حرارة كافية لإبقاء الملح سائلاً ولكن ليست ساخنة لدرجة أن يتبخر.
تعمل العملية عن طريق دفع تيار كهربائي عبر النظام. فعندما يتدفق التيار، يبدأ اليورانيوم الصلب في الغرفة الأولى بالذوبان، مطلقاً جزيئات يورانيوم مشحونة في الملح المنصهر. وفي الوقت نفسه، تسبب الكهرباء تكوين الليثيوم في الغرفة الثانية. وإذا تُرك الليثيوم وحده، فإنه سيتفاعل بعنف أو سيطفو ببساطة بعيداً، مما يؤدي إلى إفساد التوازن. ولمنع حدوث ذلك، يعمل البزموت السائل كإسفنجة، حيث يمتص الليثيوم المتكون حديثاً ويحبسه في سبيكة مستقرة. ويلعب الحاجز الزجاجي المسامي بين الغرفتين دوراً حاسماً؛ فهو يسمح للأيونات الضرورية بالمرور لإكمال الدائرة الكهربائية، ولكنه يمنع جزيئات اليورنيوم المذابة من الانجراف إلى الجانب الآخر، حيث ستضيع سدى. يضمن هذا الفصل بقاء اليورانيوم تماماً في المكان الذي يحتا- إليه، مما يؤدي إلى تراكم تركيزه داخل حمام الملح.
اختبر الباحثون هذه الطة عبر تشغيل التجربة عشر مرات متتالية، باستخدام مستويين مختلفين من التيار الكهربائي. ووجدوا أن تركيز مركب اليورانيوم في الملح يزداد بشكل ثابت ومتوقع مع كل دورة. وبحلول نهاية السلسلة، احتوى الملح على ما يقرب من 12.5 بالمائة من المركب المطلوب، وهو مستوى كافٍ للاستخدام الصناعي. كانت العملية فعالة للغاية، حيث حولت أكثر من 95 بالمائة من الطاقة الكهربائية إلى المنتج الكيميائي المطلوب. والأهم من ذلك، أكد الفريق أن البزموت نجح في التقاط الليثيوم. فعندما فحصوا البزموت بعد التجربة، وجدوا أنه تحول إلى لون أرجواني مميز، وهي علامة على تكون مركب كيميائي جديد بداخله. وكشفت التحليلات الإضافية أن البزموت والليثيوم قد ارتبطا بالفعل معاً، مما أثبت أن المعدن السائل كان يقوم بما يفترض به تماماً: وهو التمسك بالليثيوم حتى لا يهرب.
يقدم هذا النهج الجديد تحسناً كبيراً عن الطرق القديمة. فقد اعتمدت التقنيات السابقة غالباً على الكادميوم، وهو معدن ثقيل سام، أو غازات أكالة يمكن أن تضر بالمعدات وتترك خلفها شوائب غير مرغوب فيها. ومن خلال استخدام الكهرباء وإسفنجة المعدن السائل، لا تتطلب هذه الطريقة أي مواد كيميائية خارجية لدفع التفاعل. كما أن كمية مركب اليورانيوم المنتجة يتم التحكم فيها ببساطة من خلال مقدار الكهرباء التي تمر عبر النظام، مما يسم يسمح بإدارة دقيقة للمنتج النهائي. ورغم أن الحاجز المسامي أضاف قدراً صغيراً من المقاومة، مما يتطلب طاقة أكبر قليلاً لتشغيل النظام، إلا أن هذه المقايضة كانت تستحق العناء من أجل نقاء وسلامة النتيجة. وتثبت الدراسة أنه من الممكن إنشاء المكونات الأساسية لإعادة تدوير الوقود النووي باستخدام عملية كهروكيميائية نظيفة ومكتفية ذاتياً، مما يمهد الطريق لأنظمة طاقة نووية أكثر كفاءة وأماناً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.