Des scientifiques découvrent les propriétés thermodynamiques des sels fondus, utilisés dans l’énergie solaire et nucléaire


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  • Un chimiste de l’Université de Cincinnati a mis au point une nouvelle façon d’étudier les propriétés thermodynamiques des sels fondus, qui sont utilisés dans de nombreuses applications d’énergie nucléaire et solaire.

    Yu Shi, associé de recherche et chimiste informatique de l’UC College of Arts and Sciences, et ses collaborateurs ont développé une nouvelle méthode de simulation pour calculer l’énergie libre à l’aide de l’intelligence artificielle d’apprentissage en profondeur.

    Le sel fondu est du sel chauffé à des températures élevées où il devient liquide. Les chercheurs de l’UC ont étudié le chlorure de sodium, communément appelé sel de table. Shi a déclaré que le sel fondu a des propriétés qui en font un moyen précieux pour les systèmes de refroidissement des centrales nucléaires. Dans les tours solaires, ils peuvent être utilisés pour transférer de la chaleur ou stocker de l’énergie.

    Paradoxalement, alors que le sel est un isolant, le sel fondu est conducteur d’électricité.

    « Les sels fondus sont stables à des températures élevées et peuvent contenir beaucoup d’énergie à l’état liquide », a déclaré Shi. « Ils ont de bonnes propriétés thermodynamiques. Cela en fait un bon matériau de stockage d’énergie pour les centrales solaires à concentration. Et ils peuvent être utilisés comme liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. »

    Publié dans la revue Royal Society of Chemistry Sciences chimiquesl’étude pourrait aider les chercheurs à examiner la corrosion que ces sels peuvent provoquer dans des conteneurs métalliques comme ceux que l’on trouve dans la prochaine génération de réacteurs nucléaires.

    L’étude fournit une approche fiable pour étudier la conversion du gaz dissous en vapeur dans les sels fondus, aidant les ingénieurs à comprendre l’effet de différentes impuretés et solutés (la substance dissoute dans une solution) sur la corrosion. Shi a déclaré que cela aiderait également les chercheurs à étudier la libération de gaz potentiellement toxiques dans l’atmosphère, ce qui sera extrêmement utile pour les réacteurs nucléaires à sels fondus de quatrième génération.

    « Nous avons utilisé notre théorie quasi-chimique et notre réseau neuronal profond, que nous avons formé à l’aide de données générées par des simulations quantiques, pour modéliser la thermodynamique de solvatation du sel fondu avec une précision chimique », a déclaré Shi.

    Le co-auteur de l’étude, Thomas Beck, est l’ancien chef du département de chimie de l’UC et travaille maintenant comme chef de section de l’engagement scientifique pour le laboratoire national d’Oak Ridge dans le Tennessee. Beck a déclaré que les sels fondus ne se dilatent pas lorsqu’ils sont chauffés, contrairement à l’eau qui peut créer une pression extrême à des températures élevées.

    « La pression à l’intérieur d’un réacteur nucléaire augmente beaucoup. C’est la difficulté de la conception du réacteur – cela entraîne plus de risques et des coûts plus élevés », a-t-il déclaré.

    Les chercheurs se sont tournés vers le Advanced Research Computing Center de l’UC et le Ohio Supercomputer Center pour exécuter les simulations.

    « A Oak Ridge, nous avons le supercalculateur le plus rapide du monde, donc notre expérience prendrait moins de temps ici », a déclaré Beck. « Mais sur des supercalculateurs typiques, cela peut prendre des semaines ou des mois pour exécuter ces simulations quantiques. »

    L’équipe de recherche comprenait également Stephen Lam de l’Université du Massachusetts Lowell.

    « Il est important d’avoir des modèles précis de ces sels. Nous avons été le premier groupe à calculer l’énergie libre du chlorure de sodium à haute température dans un liquide et à la comparer aux expériences précédentes », a déclaré Beck. « Nous avons donc prouvé que c’est une technique utile. »

    En 2020, Shi et Beck ont ​​établi une échelle d’énergie libre pour l’hydratation d’un seul ion en utilisant une théorie quasi-chimique et des simulations mécaniques quantiques de l’ion sodium dans l’eau dans une étude publiée dans la revue PNAS. Il s’agissait du premier calcul d’énergie libre de solvatation pour le soluté chargé utilisant la mécanique quantique, a déclaré Shi.

    Beck a déclaré que les sels fondus seront importants pour développer de nouvelles sources d’énergie – même peut-être un jour l’énergie de fusion.

    « Ils proposent d’utiliser des sels fondus comme liquide de refroidissement de revêtement pour le réacteur à haute température », a-t-il déclaré. « Mais la fusion est plus loin sur la route. »

    L’étude a été financée par des subventions de la National Science Foundation et de l’UC College of Arts and Sciences et par le soutien à la recherche du Bureau de l’énergie nucléaire du Département américain de l’énergie avec l’aide informatique de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Cincinnati. Original écrit par Michael Miller. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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