Образование ионных сеток в расплавленных солевых смесях. Компьютерный эксперимент

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Расплавленные соли используются как теплопроводящие среды в жидко-солевых реакторах и в солнечных установках. Знание теплопроводности расплавленной соли необходимо для безопасной эксплуатации этих агрегатов. Вычислительные методы являются альтернативой труднодоступному экспериментальному пути определения теплопроводности. В настоящей работе методом равновесной молекулярной динамики рассчитана температурная зависимость теплопроводности расплавленной соли FLiNaK, а также этого солевого расплава с растворенным в нем NdF3. Температурное поведение теплопроводности, а также ее изменение после растворения NdF3 во FLiNaK объясняется на основе определения динамической сети ионных связей, существующей в модели солевых расплавов. Установлены сети ионных связей с верхним пределом межионного расстояния, равным 0.2 нм для обоих типов солевых расплавов, и с пределом в 0.27 нм для связанной сети Nd–F в расплаве, содержащем NdF3. Эти сети связей со временем появляются в разных частях системы и могут полностью исчезать. Общая численность узлов динамических сетей, определенная за время корреляции тепловых потоков, имеет влияние на значение теплопроводности моделируемой системы. Новый метод интерпретации температурного поведения теплопроводности расплавленной соли в компьютерной модели может быть использован для прогнозирования процесса растворения в солевых расплавах фторидов различных лантаноидов и актиноидов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Е. Галашев

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук; Уральский Федеральный Университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: galashev@ihte.uran.ru
Россия, Екатеринбург; Екатеринбург

Список литературы

  1. Halliday C., Hatton T.A. // Appl. Energy. 2020. V. 280. Art. № 116016. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.116016
  2. Sorbom N., Ball J., Palmer T.R. et al. // Fusion Eng. Des. 2015. V. 100. P. 378. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.07.008
  3. Akanda M.A.M., Shin D. // J. Ener. Storage. 2023. V. 60. Art. № 106608. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106608
  4. Игнатьева Л.Н., Машенко В.А., Горбенко О.М., Бузник В.М. // Хим. физика 2023. № 11. С. 23. https://doi.org/10.31857/S0207401X23110031
  5. Froese B. C. // Adsorption of Neodymium Experiment Design to Simulate Nuclear Fuel Reprocessing. Syracuse: University Honors Program Capstone Projects, 2011. P. 5–14. https://surface.syr.edu/honors_capstone/249
  6. Cervi E., Lorenzi A., Cammi A., Luzzi L. // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 193. P. 379. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.09.025
  7. Nunes V.M.B., Lourenco M.J.V., Santos F.J.V., Nieto de Castro C.A. // J. Chem. Eng. Data. 2003. V. 48. № 3. P. 446. https://doi.org/10.1021/je020160l
  8. Gheribi A.E., Chartrand P. // J. Chem. Phys. 2016. V. 144. № 8. P. 084506. https://doi.org/10.1063/1.4942197
  9. Gheribi A.E., Torres J.A., Chartrand P. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2014. V. 126. P. 11. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2014.03.028
  10. Ross R.G. // Rep. Prog. Phys. 1984. V. 47. № 10. P. 1347. https://doi.org/10.1088/0034-4885/47/10/002
  11. Romatoski R.R., Hu L.W. // Ann. Nucl. Energy. 2017. V. 109. № 2–3. P. 635. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.05.036
  12. An X.-H., Cheng J.-H., Yin H.-Q., Xie L.-D., Zhang P. // Intern. J. Heat Mass Transfer. 2015. V. 90. P. 872. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.042
  13. Robertson S.G., Wiser R., Yang W. et al. // J. Appl. Phys. 2022. V. 131. № 22. 225102. https://doi.org/10.1063/5.0088059
  14. Nagasaka Y., Nakazawa N., Nagashima A. // Intern. J. Thermophys. 1992. V. 13. № 4. P. 555. https://doi.org/10.1007/BF00501941
  15. Robertson G., Short M.P. // Rev. Sci. Instrum. 2021. V. 92. Art. № 064905. https://doi.org/10.1063/5.0049727
  16. Copley J.R.D., Rowe J.M. // Phys. Rev. Lett. 1974. V. 32. № 2. P. 49. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.32.49
  17. Demmel F., Hosokawa S., Pilgrim W.-C. // J. Phys.: Condens. Matter. 2021. V. 33. № 37. Art. № 375103. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac101c
  18. Hosokawa S., Demmel F., Pilgrim W.-C. et al. // Electrochem. 2009. V. 77. № 8. P. 608. https://doi.org/10.5796/electrochemistry.77.608
  19. Bryk T., Mryglod I.M. // J. Mol. Liquids. 2005. V. 120. № 1–3. P. 83. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2004.07.041
  20. Кишевецкий С.П., Курдяева Ю.А., Гаврилов Н.М. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 77. https://doi.org/10.31857/S0207401X23100096
  21. Tosi M.P., Fumi F.G. // J. Phys. Chem. Solids. 1964. V. 25. № 1. P. 45. https://doi.org/10.1016/0022-3697(64)90160-x
  22. Adams D.J., McDonald I.R. // J. Phys. C: Sol. State Phys. 1974. V. 7. № 16. P. 2761. https://doi.org/10.1088/0022-3719/7/16/009
  23. Pauling L. // J. Amer. Chem. Soc. 1929. V. 51. № 4. P. 1010. https://doi.org/10.1021/ja01379a006
  24. Galashev A.Y., Rakhmanova O.R., Abramova K.A. et al. // J. Phys. Chem. B. 2023. V. 127. № 5. P. 1197. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c06915
  25. Mayer J.E. // J. Chem. Phys. 1933. V. 1. № 4. P. 270. https://doi.org/10.1063/1.1749283
  26. Wang H. Ph.D. Dis. Molecular dynamics simulations of molten salts: Force field evaluation and development. Indiana, Notre Dame: University of Notre Dame, 2022.
  27. Ishii Y., Sato K., Salanne M., Madden P.A., Ohtori N. // J. Phys. Chem. B. 2014. V. 118. № 12. P. 3385. https://doi.org/10.1021/jp411781n
  28. Руденко Е.И., Дохликова Н.В., Гатин А.К., Сарвадий С.Ю., Гришин М.В. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 7. С. 70. https://doi.org/10.31857/50207401X23070166
  29. Cordero B., Gomes V., Platero-Prats A. et al. // Dalton Trans. 2008. V. 21. № 21. P. 2832. https://doi.org/10.1039/b801115j
  30. Thakur S., Dionne C.J., Karna P., King S.W., Lanford W. // Phys. Rev. Mater. 2022. V. 6. Art. № 094601. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.094601
  31. Rudenko A., Redkin A., Il’ina E. et al. // Materials. 2022. V. 15. № 16. Art. № 5603. https://doi.org/10.3390/ma15165603
  32. Braun I.L., King S.W., Giri A. et al. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. № 19. Art.№ 191905. https://doi.org/10.1063/1.4967309
  33. Возняковский А.А., Возняковский А.П., Кидалов С.В., Заваринский В.И. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 6. С. 14. https://doi.org/10.31857/S0207401X21060169
  34. Xu R.L., Rojo M.M., Islam S.M. et al. // J. Appl. Phys. 2019. V. 126. № 18. Art.№ 185105. https://doi.org/10.1063/1.5097172
  35. Galashev A.Y. // Appl. Sci. 2023. V. 13, № 2. P. 1085. https://doi.org/10.3390/app13021085
  36. Özen A.S., Akdeniz Z. // J. Mol. Liquids. 2022. V. 368. Part B. P. 120771. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120771
  37. Li J., Guo H., Zhang H., Li T., Gong Y. // Chem. Phys. Lett. 2019. V. 718, P. 63. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.01.035
  38. Bessada C., Zanghi D., Salanne M. et al. // J. Mol. Liquids. 2020. V. 307. № 2. Art. № 112927. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112927

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Общий вид системы FLiNaK + 15 мольн.% NdF3 перед МД-расчетом (t = 0 с, на рисунке слева) и в конце расчета, когда был получен расплав при T = 1020 K (t = 2.5 нс, на рисунке справа).

Скачать (366KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Относительное количество взаимосвязанных положительных и отрицательных ионов в системе FLiNaK + + 15 мольн.% NdF3, образующих связи Li+–F-, длина которых не превышает 0.2 нм (а) и связи Nd3+–F- с длиной ≤0.27 (б); штриховые линии и цифры у кривых показывают средние значения числа связанных ионов Nb.

Скачать (121KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Размещение ионов Li+ в системе FLiNaK + + 15 мольн.% NdF3 (800 K) в конце расчета.

Скачать (189KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Узлы наибольшей сетки связей с длинами связей не более 0.2 нм между положительными и отрицательными ионами в системе FLiNaK + 15 мольн.% NdF3 при температуре 800 K.

Скачать (128KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Размещение ионов Nd3+ в системе FLiNaK + + 15 мольн.% NdF3 в конце расчета при температуре 1020 К.

Скачать (136KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Узлы сетки связей между ионами Nd3+ и F- в системе FLiNaK + 15 мольн.% NdF3 с длинами связей не более 0.27 нм в конце расчета при температуре 1020 K.

Скачать (67KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Температурная зависимость относительного числа связанных ионов для систем FLiNaK и FLiNaK + 15 мольн.% NdF3; штриховые линии – линейная аппроксимация представленных зависимостей; на рисунке термин “общее число” означает, что учитываются длины связей Lb всех положительных ионов с F -, не превышающие 0.2 нм, а также Lb растворенных ионов со связями Nd3+–F - не более 0.27 нм.

Скачать (51KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Теплопроводность систем FLiNaK и FLiNaK + + 15 мольн.% NdF3, определенная в молекулярно-динамическом расчете (настоящая работа) и в эксперименте по определению коэффициента λ методом лазерной вспышки [31].

Скачать (32KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025