Собраны данные для разработки более безопасных и экологически чистых ядерных реакторов.

Сложность заключается в том, что экспериментально измерить промышленно значимые свойства жидких солей сложно из-за высоких температур и коррозионных характеристик. Поэтому для улучшения технологий производства чистых металлов и атомной энергетики необходимы расчетные модели, подобные той, что представлена в Journal of Molecular Liquids. Данное исследование поддержано грантом РНФ.

Жидкие соли составляют обширный класс веществ с множеством промышленных применений. Материаловеды постоянно работают над улучшением состава и характеристик смесей расплавленных солей для повышения эффективности производства титана, кальция, алюминия и других чистых металлов, а также для усовершенствования ядерных реакторов следующего поколения, находящихся на стадии разработки.

Вместе с солнечной и ветровой энергетикой атомные электростанции будут играть ключевую роль в постепенном переходе экономики к безуглеродной модели. Реакторы ядерного синтеза обещают много, но пока находятся на стадии концепции. В то же время существует более зрелая технология в области атомной энергетики, для которой необходимы расплавы солей с тщательно подобранными физическими и химическими свойствами.

Реакторы на расплавах солей (жидкосолевые реакторы) являются более безопасными, экологически чистыми и энергоэффективными по сравнению с теми, что используются в настоящее время. Их применение устраняет риск взрыва водорода, как это произошло во время аварии на АЭС в Фукусиме. Кроме того, рабочее давление таких альтернативных реакторов близко к атмосферному (в действующих АЭС – 75–150 атмосфер), что улучшает как безопасность, так и стоимость эксплуатации. Более того, в жидкосолевые реакторы можно загружать топливо, не останавливая их работу. Также рабочая температура в этих реакторах примерно в два раза выше, чем в современных. А чем выше температура, тем выше эффективность производства электрической и тепловой энергии.

В реакторах на расплавах солей также можно будет утилизировать радиоактивные отходы, образующиеся в современных ядерных реакторах, такие как нептуний-237, америций-237 и другие так называемые минорные актиниды. В настоящее время эти опасные отходы приходится захоранивать, что крайне затратно и не решает окончательно проблему их накопления. Для жидкосолевых реакторов эти радиоактивные изотопы могли бы стать топливом.

Чтобы раскрыть потенциал жидких солей в ядерной энергетике и металлургии, инженерам необходимо знать свойства этих веществ при различных термодинамических условиях. Однако материаловедам сложно обеспечить эту информацию из-за множества возможных химических составов расплавленных солей. Невозможно охватить все комбинации, особенно с проведением реальных экспериментов, которые являются дорогими и трудоемкими из-за высокой коррозионности и температур расплавов солей.

Результаты исследования прокомментировал его первый автор, научный сотрудник Лаборатории методов искусственного интеллекта для разработки материалов Центра искусственного интеллекта Сколтеха Никита Рыбин: «Направляемый вычислениями поиск расплавов с определенными физико-химическими свойствами может значительно упростить и ускорить развитие ядерных реакторов следующего поколения, поскольку снизит потребность в реальных экспериментах.

В этом исследовании мы предложили и протестировали методологию, позволяющую рассчитывать термофизические свойства расплавов солей при ненулевых температурах. Результаты таких расчетов для соли под названием FLiNaK (состав: LiF, NaF, KF) соответствуют существующим экспериментальным данным, поэтому в дальнейшем мы изучим соли других составов и проанализируем дополнительные свойства – так эта методология будет способствовать подбору материалов для реакторов следующего поколения».

Решение, предложенное научной группой для расчета свойств жидких солей, основывается на машинно-обучаемых межатомных потенциалах и молекулярно-динамическом моделировании. Потенциалы обучаются на данных расчетов, выполненных с квантово-механической точностью. Без машинного обучения такие расчеты были бы крайне сложными с вычислительной точки зрения.