Научный сотрудник Колледжа искусств и наук Калифорнийского университета и специалист по вычислительной химии Ю Ши и его сотрудники разработали новый метод моделирования для расчета свободной энергии с использованием искусственного интеллекта с глубоким обучением.

Расплавленная соль - это соль, нагретая до высоких температур, при которых она становится жидкой. Исследователи Калифорнийского университета изучали хлорид натрия, широко известный как поваренная соль. Ши сказал, что расплавленная соль обладает свойствами, которые делают ее ценной средой для систем охлаждения на атомных электростанциях. В солнечных башнях они могут использоваться для передачи тепла или накопления энергии.

Парадоксально, но в то время как соль является изолятором, расплавленная соль проводит электричество.

"Расплавленные соли стабильны при высоких температурах и могут удерживать много энергии в жидком состоянии", - сказал Ши. "Они обладают хорошими термодинамическими свойствами. Это делает их хорошим материалом для накопления энергии для концентрированных солнечных электростанций. И их можно использовать в качестве охлаждающей жидкости в ядерных реакторах".

Опубликовано в журнале Королевского химического общества Химическая наука Таким образом, исследование могло бы помочь исследователям изучить коррозию, которую эти соли могут вызывать в металлических контейнерах, подобных тем, которые используются в ядерных реакторах следующего поколения.

Исследование обеспечивает надежный подход к изучению превращения растворенного газа в пар в расплавленных солях, помогая инженерам понять влияние различных примесей и растворенных веществ (вещества, растворенного в растворе) на коррозию. Ши сказал, что это также поможет исследователям изучить выброс потенциально токсичного газа в атмосферу, что будет чрезвычайно полезно для ядерных реакторов на расплавленной соли четвертого поколения.

"Мы использовали нашу квазихимическую теорию и нашу глубокую нейронную сеть, которую мы обучили с использованием данных, полученных в результате квантового моделирования, для моделирования термодинамики сольватации расплавленной соли с химической точностью", - сказал Ши.

Соавтор исследования Томас Бек - бывший глава химического факультета Калифорнийского университета, а сейчас работает руководителем отдела научного взаимодействия в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси. Бек сказал, что расплавленные соли не расширяются при нагревании, в отличие от воды, которая может создавать экстремальное давление при высоких температурах.

"Давление внутри ядерного реактора сильно повышается. В этом сложность проектирования реактора - это приводит к большему риску и более высоким затратам", - сказал он.

Исследователи обратились в Вычислительный центр передовых исследований Калифорнийского университета и суперкомпьютерный центр штата Огайо для проведения моделирования.

"В Ок-Ридже у нас самый быстрый в мире суперкомпьютер, поэтому наш эксперимент занял бы здесь меньше времени", - сказал Бек. "Но на типичных суперкомпьютерах выполнение этих квантовых симуляций может занять недели или месяцы".

В исследовательскую группу также входил Стивен Лэм из Массачусетского университета Лоуэлл.

"Важно иметь точные модели этих солей. Мы были первой группой, которая рассчитала свободную энергию хлорида натрия при высокой температуре в жидкости и сравнила ее с предыдущими экспериментами", - сказал Бек. "Итак, мы доказали, что это полезная техника".

В 2020 году Ши и Бек установили шкалу свободной энергии для одноионной гидратации, используя квазихимическую теорию и квантово-механическое моделирование иона натрия в воде в исследовании, опубликованном в журнале PNAS. По словам Ши, это был первый расчет свободной энергии сольватации для заряженного растворенного вещества с использованием квантовой механики.

Бек сказал, что расплавленные соли будут важны для разработки новых источников энергии - возможно, однажды даже термоядерной энергии.

"Они предлагают использовать расплавленные соли в качестве охлаждающей жидкости для высокотемпературного реактора", - сказал он. "Но термоядерный синтез находится дальше по пути".

Исследование финансировалось за счет грантов Национального научного фонда и Колледжа искусств и наук Калифорнийского университета, а также поддержки исследований со стороны Управления ядерной энергетики Министерства энергетики США с помощью вычислительной системы Oak Ridge Leadership Computing Facility.