26.07.2022 - University of Cincinnati

Süße Forschung: Chemiker entschlüsseln die Geheimnisse geschmolzener Salze

Wissenschaftler entdecken thermodynamische Eigenschaften von geschmolzenen Salzen, die in der Solar- und Kernenergie verwendet werden

Ein Chemiker der University of Cincinnati hat eine neue Methode zur Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften geschmolzener Salze entwickelt, die in vielen Anwendungen der Kern- und Solarenergie eingesetzt werden.

Yu Shi, wissenschaftlicher Mitarbeiter am UC College of Arts and Sciences und Computerchemiker, und seine Mitarbeiter entwickelten eine neue Simulationsmethode zur Berechnung der freien Energie mit Hilfe von Deep Learning und künstlicher Intelligenz.

Geschmolzenes Salz ist Salz, das auf hohe Temperaturen erhitzt wird, wo es flüssig wird. Die UC-Forscher untersuchten Natriumchlorid, das gemeinhin als Kochsalz bekannt ist. Shi sagte, geschmolzenes Salz habe Eigenschaften, die es zu einem wertvollen Medium für Kühlsysteme in Kernkraftwerken machen. In Solartürmen kann es zur Übertragung von Wärme oder zur Speicherung von Energie verwendet werden.

Paradoxerweise ist Salz zwar ein Isolator, aber geschmolzenes Salz leitet Elektrizität.

"Geschmolzene Salze sind bei hohen Temperaturen stabil und können in flüssigem Zustand viel Energie speichern", so 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.

Die Studie könnte Forschern helfen, die Korrosion zu untersuchen, die diese Salze in Metallbehältern verursachen können, wie sie in der nächsten Generation von Kernreaktoren 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 Auswirkungen verschiedener Verunreinigungen und gelöster Stoffe (in einer Lösung gelöster Stoff) auf die Korrosion zu verstehen. Shi sagte, dass es den Forschern auch helfen wird, die Freisetzung von potenziell giftigen Gasen in die Atmosphäre zu untersuchen, was für Kernreaktoren der vierten Generation mit geschmolzenem Salz äußerst nützlich sein wird.

"Wir haben unsere quasi-chemische Theorie und unser tiefes neuronales Netz, das wir anhand von Daten aus Quantensimulationen trainiert haben, verwendet, um die Solvationsthermodynamik von geschmolzenem Salz mit chemischer Genauigkeit zu modellieren", so Shi.

Der Mitautor der Studie, Thomas Beck, ist ehemaliger Leiter des Fachbereichs Chemie der UC und arbeitet jetzt als Abteilungsleiter für wissenschaftliches Engagement für das Oak Ridge National Laboratory in Tennessee. Laut Beck dehnen sich geschmolzene Salze beim Erhitzen nicht aus, im Gegensatz zu Wasser, das bei hohen Temperaturen extremen Druck erzeugen kann.

"Der Druck in einem Kernreaktor steigt sehr stark an. Das ist die Schwierigkeit bei der Konstruktion von Reaktoren - 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.

"In Oak Ridge haben wir den schnellsten Supercomputer der Welt, daher würde unser Experiment hier weniger Zeit in Anspruch nehmen", so Beck. "Aber auf normalen Supercomputern kann es Wochen oder Monate dauern, diese Quantensimulationen durchzuführen."

Zu dem Forschungsteam gehörte auch Stephen Lam von der University of Massachusetts Lowell.

"Es ist wichtig, genaue Modelle für diese 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", so Beck. "Damit haben wir bewiesen, dass es eine nützliche Technik ist."

Im Jahr 2020 erstellten Shi und Beck in einer in der Fachzeitschrift PNAS veröffentlichten Studie eine Skala der freien Energie für die Hydratation eines einzelnen Ions mithilfe der quasi-chemischen Theorie und quantenmechanischer Simulationen des Natriumions in Wasser. Es war die erste Berechnung der freien Solvatationsenergie für geladene gelöste Stoffe mit Hilfe der Quantenmechanik, so Shi.

Beck sagte, dass geschmolzene Salze wichtig für die Entwicklung neuer Energiequellen sein werden - vielleicht sogar eines Tages für die Fusionsenergie.

"Sie schlagen vor, geschmolzene Salze als Kühlmittel für den Hochtemperaturreaktor zu verwenden", sagte er. "Aber die Kernfusion ist noch in weiter Ferne".

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