Een chemicus aan de Universiteit van Cincinnati heeft een nieuwe manier bedacht om de thermodynamische eigenschappen van gesmolten zouten te bestuderen, die in veel nucleaire en zonne-energietoepassingen worden gebruikt.

UC College of Arts and Sciences onderzoeksmedewerker en computationeel chemicus Yu Shi en zijn medewerkers ontwikkelden een nieuwe simulatiemethode om vrije energie te berekenen met behulp van deep learning kunstmatige intelligentie.

Gesmolten zout is zout dat wordt verhit tot hoge temperaturen waar het vloeibaar wordt. UC-onderzoekers bestudeerden natriumchloride, algemeen bekend als tafelzout. Shi zei dat gesmolten zout eigenschappen heeft die het een waardevol medium maken voor koelsystemen in kerncentrales. In zonnetorens kunnen ze worden gebruikt om warmte over te dragen of energie op te slaan.

Paradoxaal genoeg, terwijl zout een isolator is, geleidt gesmolten zout elektriciteit.

"Gesmolten zouten zijn stabiel bij hoge temperaturen en kunnen veel energie vasthouden in vloeibare toestand," zei Shi. "Ze hebben goede thermodynamische eigenschappen. Dat maakt ze een goed materiaal voor energieopslag voor geconcentreerde zonne-energiecentrales. En ze kunnen worden gebruikt als koelmiddel in kernreactoren."

Gepubliceerd in het tijdschrift van de Royal Society of Chemistry Chemical Science , zou de studie onderzoekers kunnen helpen bij het onderzoeken van de corrosie die deze zouten kunnen veroorzaken in metalen containers zoals die worden aangetroffen in de volgende generatie kernreactoren.

De studie biedt een betrouwbare benadering om de omzetting van opgelost gas in damp in gesmolten zouten te bestuderen, waardoor ingenieurs inzicht krijgen in het effect van verschillende onzuiverheden en opgeloste stoffen (de stof die in een oplossing is opgelost) op corrosie. Shi zei dat het onderzoekers ook zal helpen bij het bestuderen van het vrijkomen van potentieel giftig gas in de atmosfeer, wat buitengewoon nuttig zal zijn voor kernreactoren met gesmolten zout van de vierde generatie.

"We gebruikten onze quasi-chemische theorie en ons diepe neurale netwerk, dat we hebben getraind met behulp van gegevens die zijn gegenereerd door kwantumsimulaties, om de solvatatiethermodynamica van gesmolten zout met chemische nauwkeurigheid te modelleren," zei Shi.

Studie co-auteur Thomas Beck is voormalig hoofd van UC's Department of Chemistry en werkt nu als sectiehoofd van wetenschappelijke betrokkenheid voor het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Beck zei dat gesmolten zouten niet uitzetten bij verhitting, in tegenstelling tot water dat extreme druk kan creëren bij hoge temperaturen.

"De druk in een kernreactor stijgt enorm. Dat is de moeilijkheid van reactorontwerp - het leidt tot meer risico's en hogere kosten", zei hij.

Onderzoekers wendden zich tot het Advanced Research Computing Center van UC en het Ohio Supercomputer Center om de simulaties uit te voeren.

"Bij Oak Ridge hebben we 's werelds snelste supercomputer, dus ons experiment zou hier minder tijd in beslag nemen," zei Beck. "Maar op typische supercomputers kan het weken of maanden duren om deze kwantumsimulaties uit te voeren."

Het onderzoeksteam omvatte ook Stephen Lam van de Universiteit van Massachusetts Lowell.

"Het is belangrijk om nauwkeurige modellen van deze zouten te hebben. We waren de eerste groep die de vrije energie van natriumchloride bij hoge temperatuur in vloeistof heeft berekend en deze heeft vergeleken met eerdere experimenten," zei Beck. "Dus we hebben bewezen dat het een nuttige techniek is."

In 2020 hebben Shi en Beck een vrije-energieschaal opgesteld voor hydratatie met één ion met behulp van quasi-chemische theorie en kwantummechanische simulaties van het natriumion in water in een studie gepubliceerd in het tijdschrift PNAS . Het was de eerste solvatatie-vrije-energieberekening voor de geladen opgeloste stof met behulp van kwantummechanica, zei Shi.

Beck zei dat gesmolten zouten belangrijk zullen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe energiebronnen, misschien zelfs ooit voor fusie-energie.

"Ze stellen voor gesmolten zouten te gebruiken als coatingkoelmiddel voor de hogetemperatuurreactor," zei hij. "Maar fusie is verder op de weg." + Verder verkennen

Gesmolten zoutoplossingen kunnen wetenschappers nieuwe inzichten verschaffen in kernenergie