Electrochemical Preparation of UCl3 -LiCl-KCl Molten Salt in a Frit-Separated Cell
Questo articolo dimostra un metodo elettrochimico efficiente e privo di reagenti per la preparazione di sale fuso UCl₃-LiCl-KCl in una cella con setto poroso utilizzando un catodo di bismuto, che raggiunge con successo elevati rendimenti di corrente e un controllo preciso della concentrazione senza introdurre impurità metalliche o gas corrosivi.
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Nella ricerca di come alimentare il futuro, gli scienziati stanno guardando indietro a un tipo specifico di reattore nucleare che funziona con metallo liquido invece che con acqua. Queste macchine, note come reattori veloci raffreddati a sodio, offrono un modo per riutilizzare il combustibile nucleare esausto, trasformando ciò che è solitamente considerato scarto in una risorsa. Tuttavia, per far sì che questo riciclo funzioni, gli ingegneri devono separare le parti utili del combustibile da quelle inutili. Questo processo, chiamato pyroprocessing, avviene in un bagno di sale fuso, che agisce come una spugna chimica liquida. Per mantenere questa spugna operativa in modo efficace, deve essere pre-caricata con un composto chimico specifico chiamato tricloruro di uranio. Tradizionalmente, la produzione di questo composto è stata un affare sporco e pericoloso, richiedendo spesso gas tossici o metalli pesanti che possono contaminare il prodotto finale. La sfida è stata trovare un modo per creare questo ingrediente essenziale in modo pulito, sicuro e senza introdurre nuove impurità nel delicato sistema.
Un team di ricercatori della Harbin Engineering University e del China Institute of Atomic Energy ha sviluppato un nuovo metodo per risolvere questo problema. Invece di utilizzare gas pericolosi o aggiungere altri prodotti chimici, hanno costruito una cella speciale che utilizza l'elettricità per trasformare direttamente il metallo uranio solido nel composto salino richiesto. L'apparecchiatura è divisa in due camere separate da una barriera di vetro poroso, simile a un setaccio molto fine. In una camera, hanno posto un pezzo di metallo uranio solido. Nell'altra, hanno posto un pool di bismuto liquido, un metallo argenteo che fonde a temperature relativamente basse. L'intero sistema è stato riempito con una miscela fusa di cloruro di litio e cloruro di potassio, riscaldata a una temperatura di 7々3 Kelvin, abbastanza calda da mantenere il sale liquido ma non così calda da farlo evaporare.
Il processo funziona spingendo una corrente elettrica attraverso il sistema. Quando la corrente scorre, l'uranio solido nella prima camera inizia a dissolversi, rilasciando particelle di uranio cariche nel sale fuso. Allo stesso tempo, l'elettricità causa la formazione di litio nella seconda camera. Se questo litio fosse lasciato da solo, reagirebbe violentemente o semplicemente galleggerebbe via, rovinando l'equilibrio. Per evitare questo, il bismuto liquido agisce come una spugna, assorbendo il litio appena formato e bloccandolo in una lega stabile. La barriera di vetro porosa tra le due camere svolge un ruolo critico; permette agli ioni necessari di passare per completare il circuito elettrico, ma blocca l'uranio dissolto dal spostarsi verso l'altro lato, dove verrebbe sprecato. Questa separazione assicura che l'uranio rimanga esattamente dove è necessario, accumulandosi in concentrazione all'interno del bagno salino.
I ricercatori hanno testato questo metodo eseguendo l'esperimento dieci volte di seguito, utilizzando due diversi livelli di corrente elettrica. Hanno scoperto che la concentrazione del composto di uranio nel sale aumentava in modo costante e prevedibile a ogni ciclo. Alla fine della serie, il sale conteneva quasi il 12,5 percento del composto desiderato, un livello sufficiente per l'uso industriale. Il processo è stato straordinariamente efficiente, convertendo più del 95 percento dell'energia elettrica nel prodotto chimico desiderato. Fondamentalmente, il team ha confermato che il bismuto stava catturando con successo il litio. Esaminando il bismuto dopo l'esperimento, hanno trovato che aveva assunto un distinto colore viola, segno che un nuovo composto chimico si era formato al suo interno. Ulteriori analisi hanno rivelato che il bioismo e il litio si erano effettivamente legati, provando che il metallo liquido stava facendo esattamente ciò che doveva fare: trattenere il litio affinché non potesse sfuggire.
Questo nuovo approccio offre un miglioramento significativo rispetto ai metodi più vecchi. Le tecniche precedenti spesso si affidavano al cadmio, un metallo pesante tossico, o a gas corrosivi che potevano danneggiare l'attrezzatura e lasciare dietro di sé impurità indesiderate. Utilizzando l'elettricità e una spugna di metallo liquido, questo metodo non richiede prodotti chimici esterni per guidare la reazione. La quantità di composto di uranio prodotta è controllata semplicemente da quanta elettricità viene fatta passare attraverso il sistema, permettendo una gestione precisa del prodotto finale. Sebbene la barriera porosa abbia aggiunto una piccola resistenza, richiedendo un po' più di potenza per far funzionare il sistema, il compromesso valeva la pena per la purezza e la sicurezza del risultato. Lo studio dimostra che è possibile creare gli ingredienti essenziali per il riciclo del combustibile nucleare utilizzando un processo elettrochimico pulito e autocontenuto, aprendo la strada a sistemi di energia nucleare più efficienti e sicuri.
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