Químicos descubren secretos de sales fundidas

Un químico de la Universidad de Cincinnati ha ideado una forma novedosa de estudiar las propiedades termodinámicas de las sales fundidas, que se utilizan en muchas aplicaciones de energía nuclear y solar.

El investigador asociado y químico computacional de la Facultad de Artes y Ciencias de la UC Yu Shi 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 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 transferir calor o almacenar 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 contener mucha energía en estado líquido», dijo Shi. «Tienen buenas propiedades termodinámicas. Eso los convierte en un buen material de almacenamiento de energía para plantas de energía solar concentrada. Y pueden usarse como refrigerante en reactores nucleares».

Publicado en la revista Royal Society of Chemistry ciencia químicael estudio podría ayudar a los investigadores a examinar la corrosión que estas sales pueden causar en contenedores metálicos como los que se encuentran en la próxima generación de reactores nucleares.

El estudio proporciona un enfoque confiable para estudiar la conversión de gas disuelto en vapor en sales fundidas, lo que ayuda a los ingenieros a comprender el efecto de diferentes 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 usando datos generados por simulaciones cuánticas, para modelar la termodinámica de solvatación de la sal fundida con precisión química», dijo Shi.

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

«La presión dentro de un reactor nuclear sube mucho. Esa es la dificultad del diseño del reactor: conduce a 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 tomaría menos tiempo aquí», 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 del cloruro de sodio a alta temperatura en líquido y compararla con experimentos anteriores», dijo Beck. «Así que demostramos que es una técnica útil».

En 2020, 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 en un estudiar publicado en la revista PNAS. Fue el primer cálculo de energía libre de solvatación para el soluto cargado utilizando la mecánica cuántica, dijo Shi.

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

«Están proponiendo el uso de sales fundidas como refrigerante de revestimiento para el reactor de alta temperatura», dijo. «Pero la fusión está más adelante».