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辛辛那提大学的一位化学家提出了一种研究熔盐热力学性质的新方法,熔盐在许多核能和太阳能应用中都有应用。


加州大学文理学院副教授、计算化学家余时及其合作者开发了一种新的模拟方法,利用深度学习人工智能计算自由能。


熔盐是将盐加热到高温,然后变成液体。加州大学的研究人员研究了氯化钠,俗称食盐。熔盐的特性使它成为核电厂冷却系统的宝贵介质。在太阳能塔中,它们可以用来传递热量或储存能量。

矛盾的是,盐是绝缘体,而熔盐是导电的。


熔盐在高温下是稳定的,可以以液态保存大量能量,它们具有良好的热力学性质。这使它们成为集中太阳能发电厂的良好储能材料。它们可以用作核反应堆的冷却剂。


这项研究发表在英国皇家化学学会杂志《化学科学》上,它可以帮助研究人员检查这些盐对金属容器造成的腐蚀,比如在下一代核反应堆中发现的金属容器。


这项研究提供了一种可靠的方法来研究溶解气体在熔盐中的转化为蒸汽,帮助工程师了解不同杂质和溶质(溶解在溶液中的物质)对腐蚀的影响。石磊说,这还将有助于研究人员研究向大气中释放潜在有毒气体的情况,这对第四代熔盐核反应堆非常有用。


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“我们使用我们的准化学理论和我们的深度神经网络,我们使用量子模拟生成的数据进行训练,以化学精度模拟熔盐的溶剂化热力学。”石说。


研究报告的合著者托马斯·贝克是加州大学化学系的前系主任,现在是田纳西州橡树岭国家实验室科学参与部门的负责人。贝克说,熔融盐在加热时不会膨胀,不像水在高温下会产生极端压力。核反应堆内部的压力会上升很多。这就是反应堆设计的困难所在,它会导致更多的风险和更高的成本。

研究人员转向加州大学高级研究计算中心和俄亥俄州超级计算机中心进行模拟。


贝克说:“在橡树岭,我们有世界上最快的超级计算机,所以我们的实验在这里花费的时间会更少。但在典型的超级计算机上,运行这些量子模拟可能需要数周或数月的时间。”


该研究小组还包括马萨诸塞洛厄尔大学的Stephen Lam。


有这些盐的精确模型是很重要的。我们是第一个计算氯化钠在液体中高温下自由能的小组,并将其与之前的实验进行比较。所以我们证明了这是一种有用的技术。在2020年发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项研究中,Shi和Beck利用准化学理论和对水中钠离子的量子力学模拟,建立了单离子水合作用的自由能尺度。这是第一次用量子力学计算带电溶质的溶剂化自由能。


贝克说,熔盐对开发新能源很重要,甚至可能有一天会发展聚变能源。他们提议用熔盐作为高温反应堆的涂层冷却剂,但核聚变还需要更长的时间。



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