University of Cincinnati beräkningskemist Yu Shi. Kredit:Andrew Higley, University of Cincinnati
En kemist vid University of Cincinnati har kommit på ett nytt sätt att studera de termodynamiska egenskaperna hos smälta salter, som används i många kärn- och solenergitillämpningar.
UC College of Arts and Sciences forskningsassistent och beräkningskemisten Yu Shi och hans medarbetare utvecklade en ny simuleringsmetod för att beräkna fri energi med hjälp av artificiell intelligens för djupinlärning.
Smält salt är salt som värms upp till höga temperaturer där det blir flytande. UC-forskare studerade natriumklorid, allmänt känt som bordssalt. Shi sa att smält salt har egenskaper som gör det till ett värdefullt medium för kylsystem i kärnkraftverk. I soltorn kan de användas för att överföra värme eller lagra energi.
Paradoxalt nog, medan salt är en isolator, leder smält salt elektricitet.
"Smälta salter är stabila vid höga temperaturer och kan hålla mycket energi i flytande tillstånd," sa Shi. "De har bra termodynamiska egenskaper. Det gör dem till ett bra energilagringsmaterial för koncentrerade solkraftverk. Och de kan användas som kylmedel i kärnreaktorer."
Publicerad i Royal Society of Chemistry-tidskriften Chemical Science , kan studien hjälpa forskare att undersöka korrosion som dessa salter kan orsaka i metallbehållare som de som finns i nästa generations kärnreaktorer.
Studien ger en tillförlitlig metod för att studera omvandlingen av löst gas till ånga i smälta salter, vilket hjälper ingenjörer att förstå effekten av olika föroreningar och lösta ämnen (ämnet löst i en lösning) på korrosion. Shi sa att det också kommer att hjälpa forskare att studera utsläppet av potentiellt giftig gas i atmosfären, vilket kommer att vara extremt användbart för fjärde generationens smälta saltkärnreaktorer.
"Vi använde vår kvasikemiska teori och vårt djupa neurala nätverk, som vi tränade med hjälp av data som genererats av kvantsimuleringar, för att modellera solvatermodynamiken för smält salt med kemisk noggrannhet," sa Shi.
Studiens medförfattare Thomas Beck är tidigare chef för UC:s institution för kemi och arbetar nu som sektionschef för vetenskapsengagemang för Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Beck sa att smälta salter inte expanderar när de värms upp, till skillnad från vatten som kan skapa extremt tryck vid höga temperaturer.
"Trycket inuti en kärnreaktor ökar mycket. Det är svårigheten med reaktordesign - det leder till fler risker och högre kostnader", sa han.
Forskare vände sig till UC:s Advanced Research Computing Center och Ohio Supercomputer Center för att köra simuleringarna.
"På Oak Ridge har vi världens snabbaste superdator, så vårt experiment skulle ta kortare tid här," sa Beck. "Men på typiska superdatorer kan det ta veckor eller månader att köra dessa kvantsimuleringar."
I forskargruppen ingick också Stephen Lam vid University of Massachusetts Lowell.
"Det är viktigt att ha exakta modeller av dessa salter. Vi var den första gruppen att beräkna fri energi av natriumklorid vid hög temperatur i vätska och jämföra den med tidigare experiment," sa Beck. "Så vi bevisade att det är en användbar teknik."
År 2020 etablerade Shi och Beck en frienergiskala för enkeljonshydrering med hjälp av kvasikemisk teori och kvantmekaniska simuleringar av natriumjonen i vatten i en studie publicerad i tidskriften PNAS . Det var den första beräkningen av fri energi för solvatisering av det laddade lösta ämnet med hjälp av kvantmekanik, sa Shi.
Beck sa att smälta salter kommer att vara viktiga för att utveckla nya energikällor – till och med kanske en dag fusionsenergi.
"De föreslår att man använder smälta salter som ett beläggningskylmedel för högtemperaturreaktorn", sa han. "Men fusion är längre fram på vägen." + Utforska vidare
