توصل أحد الكيميائيين في جامعة سينسيناتي إلى طريقة جديدة لدراسة الخصائص الديناميكية الحرارية للأملاح المنصهرة، والتي تُستخدم في العديد من تطبيقات الطاقة النووية والشمسية.

وقد طور يوشي – زميل الأبحاث في كلية الفنون والعلوم بجامعة كاليفورنيا والمتخصص بالكيمياء الحاسوبية – وزملاؤه طريقة محاكاة جديدة لحساب الطاقة الحرة باستخدام التعلم العميق للذكاء الاصطناعي.

إن الملح المصهور هو ملح يتم تسخينه إلى درجات حرارة عالية حيث يتحول  بطبيعة الحال إلى سائل. وقد درس باحثو جامعة كاليفورنيا كلوريد الصوديوم، المعروف باسم ملح الطعام. وقال شي إن الملح المصهور له خصائص تجعله ذو قيمة لأنظمة التبريد في محطات الطاقة النووية. أما في الأبراج الشمسية، فيمكن استخدامه لنقل الحرارة أو تخزين الطاقة. 

ومن المفارقات العجيبة أنه في حين أن الملح يعتبر عازل، إلا أن الملح المصهور موصل جيد للكهرباء.

أوضح شي: “إن الأملاح المنصهرة  تكون مستقرة عند درجات الحرارة العالية ويمكنها أيضًا الاحتفاظ بكمية هائلة من الطاقة في حالتها السائلة”. وأضاف قائلاً: “تتميز الأملاح المنصهرة بخصائص ديناميكية حرارية جيدة وهذا يجعلها مادة جيدة لتخزين الطاقة لمحطات الطاقة الشمسية كما يمكن استخدامها كمبرد في المفاعلات النووية”.

هذه الدراسة نشرت في مجلة الجمعية الملكية للكيمياء، ويمكن لهذه الدراسة أن تساعد الباحثين في فحص عملية التآكل الذي يمكن أن تسببه هذه الأملاح في الحاويات المعدنية، مثل تلك الموجودة في المفاعلات النووية الجديدة أو التي ستُنشئ مستقبلاً.

توفر الدراسة نهجًا موثوقًا به لدراسة تحويل الغاز المذاب إلى بخار في الأملاح المنصهرة، مما يساعد المهندسين على فهم تأثير الشوائب والمواد المذابة المختلفة على التآكل. وقال شي إنه سيساعد الباحثين أيضًا في دراسة إطلاق الغازات السامة المحتملة في الغلاف الجوي، والتي ستكون مفيدة للغاية للجيل الرابع من المفاعلات النووية التي ستعتمد على الأملاح المصهورة.

قال شي: “لقد استخدمنا النظرية شبه الكيميائية مع الشبكة العصبية الاصطناعية، التي دربناها باستخدام البيانات الناتجة عن المحاكاة الكمية، وذلك لنمذجة الديناميكا الحرارية للملح المصهور المذاب بدقة كيميائية”. 

أحد المؤلفين المشاركين للدراسة وهو توماس بيك – الرئيس السابق لقسم الكيمياء بجامعة كاليفورنيا ويعمل الآن كرئيس قسم المشاركة العلمية في مختبر أوك ريدج الوطني في تينيسي- يقول: “إن الأملاح المنصهرة لا تتمدد عند تسخينها، على عكس الماء الذي يمكن أن يولد ضغطًا شديدًا عند درجات حرارة عالية”.

وأضاف: “إن الضغط داخل المفاعل النووي عادةً ما يرتفع كثيرًا، وهذا من طبيعة تصميم المفاعلات النووية مما يؤدي إلى مزيد من المخاطر والتكاليف”. وقد ذهب  الباحثون وتحولوا إلى مركز الحوسبة البحثية المتقدمة في جامعة كاليفورنيا ومركز أوهايو للكمبيوتر الفائق لتشغيل عمليات المحاكاة.

قال بيك: “في أوك ريدج، لدينا أفضل كمبيوتر فائق السرعة في العالم، لذا فإن تجربتنا ستستغرق وقتًا أقل مقارنة بأجهزة الكمبيوتر العملاقة الأخرى، والتي قد تأخذ منا عدة أسابيع أو حتى شهورًا لتشغيل هذه المحاكاة الكمومية”.

لقد ضم فريق البحث أيضًا ستيفن لام من جامعة ماساتشوستس لويل.

وأضاف بيك: “من المهم أن يكون لدينا نماذج دقيقة لهذه الأملاح المنصهرة. وقد كنا أول مجموعة تحسب الطاقة الحرة لكلوريد الصوديوم عند درجة حرارة عالية في  حالته السائلة ومقارنتها بالتجارب التي سبقتنا في هذا الميدان”. واستدرك قائلاً: “لقد أثبتنا أنها تقنية مفيدة للغاية”.

في عام 2020، أنشأ شي وبيك مقياسًا للطاقة الحرة لأحادي الأيونات باستخدام نظرية شبه كيميائية وبمحاكاة ميكانيكا الكم لأيون الصوديوم في الماء، وقد نشرت هذه  الدراسة في مجلة PNAS. وأفاد شي بإنها كانت أول عملية حسابية للطاقة الحرة لمذاب مشحون باستخدام ميكانيكا الكم.

وعقّب بيك قائلاً: “إن الأملاح المنصهرة ستكون مهمة جدًا لتطوير مصادر جديدة للطاقة، بل ربما قد تكون سببًا في تطوير طاقة الاندماج في يوم من الأيام”.

وأضاف قائلاً: “نقترح استخدام الأملاح المنصهرة كمبرد طلاء للمفاعلات ذات الحرارة العالية، إلا أن استخدام هذه الأملاح في الاندماج قد يكون بعيد المنال الآن لكن ليس مستحيلاً مستقبلاً”.

المصدر: https://www.sciencedaily.com

ترجمة: عائشة جلال الأصفر

تويتر: @Aisha36550897

مراجعة وتدقيق: زينب محمد