Dulce investigación: los químicos desvelan los secretos de las sales fundidas
Los científicos descubren las propiedades termodinámicas de las sales fundidas, utilizadas en la energía solar y nuclear
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 químico computacional Yu Shi, de la Universidad de Cincinnati, ha desarrollado un nuevo método de simulación para comprender las propiedades termodinámicas de la sal fundida.
Andrew Higley/UC
El investigador asociado de la Facultad de Artes y Ciencias de la UC y químico computacional 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 una sal que se calienta a altas temperaturas y 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 refrigeración de las centrales nucleares. En las torres solares, pueden utilizarse 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", explica Shi. "Tienen buenas propiedades termodinámicas. Eso las convierte en un buen material de almacenamiento de energía para las plantas de energía solar concentrada. Y pueden utilizarse como refrigerante en los reactores nucleares".
El estudio podría ayudar a los investigadores a examinar la corrosión que estas sales pueden provocar en contenedores metálicos como los que se encuentran en la próxima generación de reactores nucleares.
El estudio proporciona un enfoque fiable para estudiar la conversión de gas disuelto en vapor en las sales fundidas, ayudando a los ingenieros a comprender el efecto de las diferentes impurezas y solutos (la sustancia disuelta en una solución) en la corrosión. Shi dijo que también ayudará a los investigadores a estudiar la liberación de gases potencialmente tóxicos a la atmósfera, lo que será muy útil para los reactores nucleares de sales fundidas de cuarta generación.
"Usamos nuestra teoría cuasi-química 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 en 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. Ésa es la dificultad del diseño de los reactores: conlleva más riesgos y mayores costes", dijo.
Los investigadores recurrieron al Centro de Computación de Investigación Avanzada de la UC y al Centro de Supercomputación de Ohio para realizar las simulaciones.
"En Oak Ridge tenemos el superordenador más rápido del mundo, por lo que nuestro experimento llevaría menos tiempo aquí", dijo Beck. "Pero en los superordenadores típicos, puede llevar semanas o meses ejecutar estas simulaciones cuánticas".
En el equipo de investigación también participó Stephen Lam, de la Universidad de Massachusetts Lowell.
"Es importante tener modelos precisos de estas sales. Fuimos el primer grupo que calculó la energía libre del cloruro de sodio a alta temperatura en líquido y la comparó con experimentos anteriores", dijo Beck. "Así 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 cuasi-química y simulaciones de mecánica cuántica del ion sodio en el agua en un estudio publicado en la revista PNAS. Se trata del 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 un día la energía de fusión.
"Proponen utilizar las sales fundidas como refrigerante de revestimiento para el reactor de alta temperatura", dijo. "Pero la fusión está más lejos en el camino".
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