DOLCE RICERCA: I CHIMICI SBLOCCANO I SEGRETI DEI SALI FUSO
Gli scienziati scoprono le proprietà termodinamiche dei sali fusi, utilizzati nell’energia solare e nucleare
Un chimico dell’Università di Cincinnati ha escogitato un nuovo modo per studiare le proprietà termodinamiche dei sali fusi, che vengono utilizzati in molte applicazioni di energia nucleare e solare.
Yu Shi, associato di ricerca dell’UC College of Arts and Sciences e chimico computazionale, e i suoi collaboratori hanno sviluppato un nuovo metodo di simulazione per calcolare l’energia libera utilizzando l’intelligenza artificiale di deep learning.
Il sale fuso è sale riscaldato a temperature elevate dove diventa liquido. I ricercatori della UC hanno studiato il cloruro di sodio, comunemente noto come sale da cucina. Shi ha detto che il sale fuso ha proprietà che lo rendono un mezzo prezioso per i sistemi di raffreddamento nelle centrali nucleari. Nelle torri solari, possono essere utilizzati per trasferire calore o immagazzinare energia.
Paradossalmente, mentre il sale è un isolante, il sale fuso conduce l’elettricità.
“I sali fusi sono stabili alle alte temperature e possono trattenere molta energia allo stato liquido”, ha detto Shi. “Hanno buone proprietà termodinamiche. Ciò li rende un buon materiale di accumulo di energia per centrali solari a concentrazione. E possono essere usati come refrigerante nei reattori nucleari”.
Pubblicato sulla rivista Chemical Science della Royal Society of Chemistry , lo studio potrebbe aiutare i ricercatori a esaminare la corrosione che questi sali possono causare nei contenitori di metallo come quelli che si trovano nella prossima generazione di reattori nucleari.
Lo studio fornisce un approccio affidabile per studiare la conversione del gas disciolto in vapore nei sali fusi, aiutando gli ingegneri a comprendere l’effetto di diverse impurità e soluti (la sostanza disciolta in una soluzione) sulla corrosione. Shi ha affermato che aiuterà anche i ricercatori a studiare il rilascio di gas potenzialmente tossico nell’atmosfera, che sarà estremamente utile per i reattori nucleari a sale fuso di quarta generazione.
“Abbiamo usato la nostra teoria quasi chimica e la nostra rete neurale profonda, che abbiamo addestrato utilizzando i dati generati dalle simulazioni quantistiche, per modellare la termodinamica di solvatazione del sale fuso con accuratezza chimica”, ha detto Shi.
Il coautore dello studio Thomas Beck è ex capo del Dipartimento di Chimica della UC e ora lavora come capo sezione per l’impegno scientifico per l’Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee. Beck ha affermato che i sali fusi non si espandono quando riscaldati, a differenza dell’acqua che può creare pressioni estreme ad alte temperature.
“La pressione all’interno di un reattore nucleare aumenta molto. Questa è la difficoltà della progettazione del reattore: porta a maggiori rischi e costi più elevati”, ha affermato.
I ricercatori si sono rivolti all’Advanced Research Computing Center della UC e all’Ohio Supercomputer Center per eseguire le simulazioni.
“A Oak Ridge, abbiamo il supercomputer più veloce del mondo, quindi il nostro esperimento richiederebbe meno tempo qui”, ha detto Beck. “Ma sui tipici supercomputer, possono essere necessarie settimane o mesi per eseguire queste simulazioni quantistiche”.
Il team di ricerca includeva anche Stephen Lam dell’Università del Massachusetts Lowell.
“È importante disporre di modelli accurati di questi sali. Siamo stati il primo gruppo a calcolare l’energia libera del cloruro di sodio ad alta temperatura in un liquido e a confrontarla con esperimenti precedenti”, ha detto Beck. “Così abbiamo dimostrato che è una tecnica utile.”
Nel 2020, Shi e Beck hanno stabilito una scala di energia libera per l’idratazione a ione singolo utilizzando la teoria quasi chimica e le simulazioni meccaniche quantistiche dello ione sodio nell’acqua in uno studio pubblicato sulla rivista PNAS . È stato il primo calcolo dell’energia libera di solvatazione per il soluto carico utilizzando la meccanica quantistica, ha detto Shi.
Beck ha affermato che i sali fusi saranno importanti per lo sviluppo di nuove fonti di energia, forse anche un giorno l’energia di fusione.
“Stanno proponendo di utilizzare sali fusi come refrigerante di rivestimento per il reattore ad alta temperatura”, ha detto. “Ma la fusione è più avanti.”
Lo studio è stato finanziato con sovvenzioni dalla National Science Foundation e dall’UC College of Arts and Sciences e dal supporto alla ricerca dell’Office of Nuclear Energy del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti con l’aiuto computazionale dell’Oak Ridge Leadership Computing Facility.
