Ein Chemiker an der University of Cincinnati hat eine neuartige Methode entwickelt, um die thermodynamischen Eigenschaften von geschmolzenen Salzen zu untersuchen, die in vielen Kern- und Solarenergieanwendungen verwendet werden.
Yu Shi, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Computerchemiker am UC College of Arts and Sciences, und seine Mitarbeiter entwickelten eine neue Simulationsmethode zur Berechnung freier Energie mithilfe künstlicher Deep-Learning-Intelligenz.
Geschmolzenes Salz ist Salz, das auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wo es flüssig wird. UC-Forscher untersuchten Natriumchlorid, das allgemein als Kochsalz bekannt ist. Shi sagte, geschmolzenes Salz habe Eigenschaften, die es zu einem wertvollen Medium für Kühlsysteme in Kernkraftwerken machten. In Solartürmen können sie zur Wärmeübertragung oder Energiespeicherung genutzt werden.
Während Salz ein Isolator ist, leitet geschmolzenes Salz paradoxerweise Elektrizität.
„Geschmolzene Salze sind bei hohen Temperaturen stabil und können in flüssigem Zustand viel Energie speichern“, sagte Shi. „Sie haben gute thermodynamische Eigenschaften. Das macht sie zu einem guten Energiespeichermaterial für konzentrierte Solarkraftwerke. Und sie können als Kühlmittel in Kernreaktoren verwendet werden.“
Veröffentlicht in der Zeitschrift der Royal Society of Chemistry Chemische Wissenschaftkönnte die Studie Forschern dabei helfen, die Korrosion zu untersuchen, die diese Salze in Metallbehältern verursachen können, wie sie in Kernreaktoren der nächsten Generation zu finden sind.
Die Studie bietet einen zuverlässigen Ansatz zur Untersuchung der Umwandlung von gelöstem Gas in Dampf in geschmolzenen Salzen und hilft Ingenieuren, die Wirkung verschiedener Verunreinigungen und gelöster Stoffe (der in einer Lösung gelösten Substanz) auf die Korrosion zu verstehen. Shi sagte, es werde den Forschern auch helfen, die Freisetzung von potenziell toxischem Gas in die Atmosphäre zu untersuchen, was für Schmelzsalz-Kernreaktoren der vierten Generation äußerst nützlich sein wird.
„Wir haben unsere quasi-chemische Theorie und unser tiefes neuronales Netzwerk, das wir mit Daten aus Quantensimulationen trainiert haben, verwendet, um die Solvatationsthermodynamik von geschmolzenem Salz mit chemischer Genauigkeit zu modellieren“, sagte Shi.
Der Co-Autor der Studie, Thomas Beck, ist ehemaliger Leiter der UC-Abteilung für Chemie und arbeitet jetzt als Abteilungsleiter für wissenschaftliches Engagement für das Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Beck sagte, geschmolzene Salze dehnen sich beim Erhitzen nicht aus, im Gegensatz zu Wasser, das bei hohen Temperaturen einen extremen Druck erzeugen kann.
„Der Druck in einem Kernreaktor steigt stark an. Das ist die Schwierigkeit beim Reaktordesign – es führt zu mehr Risiken und höheren Kosten“, sagte er.
Die Forscher wandten sich an das Advanced Research Computing Center der UC und das Ohio Supercomputer Center, um die Simulationen durchzuführen.
„Bei Oak Ridge haben wir den schnellsten Supercomputer der Welt, daher würde unser Experiment hier weniger Zeit in Anspruch nehmen“, sagte Beck. „Aber auf typischen Supercomputern kann es Wochen oder Monate dauern, diese Quantensimulationen auszuführen.“
Zum Forschungsteam gehörte auch Stephen Lam von der University of Massachusetts Lowell.
„Es ist wichtig, genaue Modelle dieser Salze zu haben. Wir waren die erste Gruppe, die die freie Energie von Natriumchlorid bei hoher Temperatur in Flüssigkeit berechnet und mit früheren Experimenten verglichen hat“, sagte Beck. „Also haben wir bewiesen, dass es eine nützliche Technik ist.“
Im Jahr 2020 etablierten Shi und Beck eine Freie-Energie-Skala für die Hydratation einzelner Ionen unter Verwendung quasi-chemischer Theorie und quantenmechanischer Simulationen des Natriumions in Wasser in a lernen in der Zeitschrift veröffentlicht PNAS. Es war die erste Berechnung der freien Solvatationsenergie für den geladenen gelösten Stoff unter Verwendung der Quantenmechanik, sagte Shi.
Beck sagte, dass geschmolzene Salze wichtig für die Entwicklung neuer Energiequellen sein werden – vielleicht sogar eines Tages für Fusionsenergie.
„Sie schlagen vor, geschmolzene Salze als Beschichtungskühlmittel für den Hochtemperaturreaktor zu verwenden“, sagte er. „Aber Fusion ist weiter unten auf der Straße.“
Yu Shi et al, Deep Neural Network-basierte Quantensimulationen und quasichemische Theorie zur genauen Modellierung der Thermodynamik von geschmolzenem Salz, Chemische Wissenschaft (2022). DOI: 10.1039/D2SC02227C