Akemikere låser op for hemmeligheder bag smeltede salte

En kemiker ved University of Cincinnati har fundet på en ny måde at studere de termodynamiske egenskaber af smeltede salte, som bruges i mange atom- og solenergianvendelser.

UC College of Arts and Sciences forskningsassistent og beregningskemiker Yu Shi og hans samarbejdspartnere udviklede en ny simuleringsmetode til at beregne fri energi ved hjælp af deep learning kunstig intelligens.

Smeltet salt er salt opvarmet til høje temperaturer, hvor det bliver flydende. UC-forskere studerede natriumchlorid, almindeligvis kendt som bordsalt. Shi sagde, at smeltet salt har egenskaber, der gør det til et værdifuldt medium til kølesystemer i atomkraftværker. I soltårne ​​kan de bruges til at overføre varme eller lagre energi.

Paradoksalt nok, mens salt er en isolator, leder smeltet salt elektricitet.

"Smeltede salte er stabile ved høje temperaturer og kan holde meget energi i flydende tilstand," sagde Shi. "De har gode termodynamiske egenskaber. Det gør dem til et godt energilagermateriale til koncentrerede solenergianlæg. Og de kan bruges som kølemiddel i atomreaktorer."

Udgivet i Royal Society of Chemistry-tidsskriftet Chemical Science , kan undersøgelsen hjælpe forskere med at undersøge den korrosion, som disse salte kan forårsage i metalbeholdere som dem, der findes i den næste generation af atomreaktorer.

Undersøgelsen giver en pålidelig tilgang til at studere omdannelsen af ​​opløst gas til damp i smeltede salte, og hjælper ingeniører med at forstå effekten af ​​forskellige urenheder og opløste stoffer (stoffet opløst i en opløsning) på korrosion. Shi sagde, at det også vil hjælpe forskere med at studere frigivelsen af ​​potentielt giftig gas i atmosfæren, hvilket vil være yderst nyttigt for fjerde generation af smeltet salt atomreaktorer.

"Vi brugte vores kvasi-kemiske teori og vores dybe neurale netværk, som vi trænede ved hjælp af data genereret af kvantesimuleringer, til at modellere solvatiseringstermodynamikken af ​​smeltet salt med kemisk nøjagtighed," sagde Shi.

Studiets medforfatter Thomas Beck er tidligere leder af UC's Institut for Kemi og arbejder nu som sektionsleder for videnskabsengagement for Oak Ridge National Laboratory i Tennessee. Beck sagde, at smeltede salte ikke udvider sig, når de opvarmes, i modsætning til vand, der kan skabe ekstremt tryk ved høje temperaturer.

"Trykket inde i en atomreaktor stiger meget. Det er vanskeligheden ved reaktordesign - det fører til flere risici og højere omkostninger," sagde han.

Forskere henvendte sig til UC's Advanced Research Computing Center og Ohio Supercomputer Center for at køre simuleringerne.

"Hos Oak Ridge har vi verdens hurtigste supercomputer, så vores eksperiment ville tage mindre tid her," sagde Beck. "Men på typiske supercomputere kan det tage uger eller måneder at køre disse kvantesimuleringer."

Forskerholdet inkluderede også Stephen Lam ved University of Massachusetts Lowell.

"Det er vigtigt at have nøjagtige modeller af disse salte. Vi var den første gruppe til at beregne fri energi af natriumchlorid ved høj temperatur i væske og sammenligne det med tidligere eksperimenter," sagde Beck. "Så vi beviste, at det er en nyttig teknik."

I 2020 etablerede Shi og Beck en fri-energi-skala til enkelt-ion-hydrering ved hjælp af kvasi-kemisk teori og kvantemekaniske simuleringer af natriumionen i vand i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet PNAS . Det var den første solvationsfri energiberegning for det ladede opløste stof ved hjælp af kvantemekanik, sagde Shi.

Beck sagde, at smeltede salte vil være vigtige for udvikling af nye energikilder - måske endda en dag fusionsenergi.

"De foreslår at bruge smeltede salte som et belægningskølemiddel til højtemperaturreaktoren," sagde han. "Men fusion er længere nede af vejen." + Udforsk yderligere

Smeltede saltopløsninger kan forsyne forskere med ny indsigt i atomenergi