Un químico de la Universidad de Cincinnati ha desarrollado una nueva forma de estudiar las propiedades termodinámicas de las sales fundidas utilizadas en muchas aplicaciones de energía solar y nuclear.

Un químico de la Universidad de Cincinnati ha desarrollado una nueva forma de estudiar las propiedades termodinámicas de las sales fundidas utilizadas en muchas aplicaciones de energía solar y nuclear.

Yu Shi, investigador asociado y químico computacional de la Facultad de Artes y Ciencias de la UC, y sus colaboradores desarrollaron un nuevo método de simulación para calcular la energía libre utilizando inteligencia artificial de aprendizaje profundo.

La sal fundida es sal que ha sido calentada a altas temperaturas donde se vuelve líquida. Los investigadores de la UC estudiaron el cloruro de sodio, comúnmente conocido como sal de mesa. Shi dijo que la sal fundida tiene propiedades que la convierten en un medio valioso para los sistemas de enfriamiento en las plantas de energía nuclear. En las torres solares, se pueden utilizar para la transferencia de calor o el almacenamiento de energía.

Paradójicamente, mientras que la sal es un aislante, la sal fundida conduce la electricidad.

«Las sales fundidas son estables a altas temperaturas y pueden almacenar mucha energía en estado líquido», dijo Shi. “Tienen buenas propiedades termodinámicas. Esto los convierte en un buen material de almacenamiento de energía para plantas de energía solar concentrada. Y pueden usarse como refrigerantes en reactores nucleares”.

El estudio, publicado en la revista Chemical Science de la Royal Society of Chemistry, podría ayudar a los investigadores a investigar la corrosión que estas sales pueden causar en contenedores metálicos como los que se encuentran en los reactores nucleares de próxima generación.

El estudio proporciona un enfoque confiable para estudiar la transformación de gas disuelto en vapor en sales fundidas y ayuda a los ingenieros a comprender el efecto de diversas impurezas y solutos (la sustancia disuelta en una solución) sobre la corrosión. Shi dijo que también ayudará a los investigadores a estudiar la liberación de gas potencialmente tóxico a la atmósfera, lo que será extremadamente útil para los reactores nucleares de sal fundida de cuarta generación.

«Usamos nuestra teoría cuasiquímica y nuestra red neuronal profunda, que entrenamos con datos de simulaciones cuánticas, para modelar la termodinámica de solvatación de la sal fundida con precisión química», dijo Shi.

El coautor del estudio, Thomas Beck, exjefe del departamento de química de la UC, ahora trabaja como jefe del departamento de compromiso científico para el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee. Beck dijo que las sales fundidas no se expanden cuando se calientan, a diferencia del agua, que puede generar una presión extrema a altas temperaturas.

“La presión en un reactor nuclear aumenta bruscamente. Esa es la dificultad con el diseño del reactor: introduce más riesgos y costos más altos”, dijo.

Los investigadores recurrieron al Centro de Computación de Investigación Avanzada de la UC y al Centro de Supercomputadoras de Ohio para ejecutar las simulaciones.

«En Oak Ridge tenemos la supercomputadora más rápida del mundo, por lo que nuestro experimento aquí tomaría menos tiempo», dijo Beck. «Pero en las supercomputadoras típicas, puede llevar semanas o meses ejecutar estas simulaciones cuánticas».

El equipo de investigación también incluyó a Stephen Lam de la Universidad de Massachusetts Lowell.

“Es importante tener modelos precisos de estas sales. Fuimos el primer grupo en calcular la energía libre a alta temperatura del cloruro de sodio en líquido y compararla con experimentos anteriores», dijo Beck. «Así que demostramos que es una técnica útil».

En 2020, en un estudio publicado en la revista PNAS, Shi y Beck establecieron una escala de energía libre para la hidratación de un solo ion utilizando la teoría cuasiquímica y simulaciones mecánicas cuánticas del ion de sodio en el agua. Fue el primer cálculo de la energía libre de solvatación del soluto cargado utilizando la mecánica cuántica, dijo Shi.

Beck dijo que las sales fundidas serán importantes para el desarrollo de nuevas fuentes de energía, quizás incluso energía de fusión algún día.

«Proponen usar sales fundidas como refrigerante de revestimiento para el reactor de alta temperatura», dijo. «Pero la fusión está aún más lejos».

El estudio fue financiado con subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias y la Facultad de Artes y Ciencias de la UC y el apoyo a la investigación de la Oficina de Energía Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. con ayuda computacional de Oak Ridge Leadership Computing Facility.


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