ИИ предсказывает свойства расплавленных солей для моделирования более безопасных и устойчивых ядерных энергетических реакторов
Учёные из Сколтеха и Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработали и протестировали модель на основе машинного обучения, которая предсказывает свойства расплавленных солей. Эти соединения уже используются в металлургии и перспективны для решения проблемы накопления ядерных отходов.
Их промышленно важные свойства трудно измерить в экспериментах. Это делает модели, подобные представленной командой в Journal of Molecular Liquids, критически важными для того, чтобы сделать производство чистых металлов более дешевым, а ядерную энергетику — более безопасной и устойчивой.
Расплавленные соли — это очень разнообразный класс соединений с большим количеством физических свойств, имеющих отношение к промышленности. Учёные-материаловеды работают над тонкой настройкой состава и свойств смесей расплавленных солей, чтобы сделать производство чистого титана, кальция, алюминия и некоторых других металлов более эффективным и устранить важный технологический барьер, препятствующий разработке ядерных реакторов следующего поколения.
При таком внимании к солнечной и ветровой генерации ядерная энергетика также играет важную роль в переходе к будущему без углерода. В то время как термоядерные реакторы обещают многое, но остаются недостижимыми, существует технология ядерной энергетики, которая гораздо ближе к внедрению и также может многое сделать для энергетической отрасли. И эта технология основана на расплавленных солях с оптимизированными физическими и химическими свойствами.
Реакторы на расплавленной соли были бы безопаснее, более устойчивы и производили бы больше энергии, чем те, которые используются сегодня. Они не подвержены взрывам водорода, таким как взрыв, произошедший во время ядерной катастрофы на Фукусиме, и, как правило, работают при давлении, близком к атмосферному, тогда как большинству современных реакторов требуется от 75 до 150 атмосфер, что влияет как на безопасность, так и на эксплуатационные расходы.
В отличие от большинства обычных систем, MSR можно заправлять топливом во время работы, без необходимости временного отключения. MSR работают примерно при температуре, вдвое превышающей температуру обычных реакторов, что повышает эффективность выработки электроэнергии и возможности для улавливания отходящего тепла.
Среди прочих преимуществ реакторы на расплавленной соли могли бы облегчить проблему накопления ядерных отходов из обычных реакторов. Они производят высокорадиоактивные минорные актиниды: нептуний-237, америций-241 и т. д. Хотя эти опасные отходы трудно утилизировать, они могли бы стать подходящим топливом для реактора на расплавленной соли.
Чтобы раскрыть потенциал расплавленных солей как для ядерной энергетики, так и для металлургии, инженерам необходимо знать их свойства. Материаловеды испытывают сильное давление, предоставляя эту информацию из-за огромного количества возможных комбинаций химических элементов и ряда технологически значимых свойств. Рассмотрение каждой комбинации и проведение эксперимента было бы невероятно дорогим. Особенно учитывая крайне коррозионную природу расплавленных солей и высокие температуры.
«Вычислительно-управляемый поиск расплавов с определенными физико-химическими свойствами может существенно упростить и ускорить разработку ядерных реакторов следующего поколения, поскольку количество реальных экспериментов будет сведено к минимуму», — говорит ведущий автор исследования Никита Рыбин, научный сотрудник Лаборатории искусственного интеллекта для проектирования материалов Сколтеха.
«В этом исследовании мы представили и протестировали методологию, которая позволяет рассчитывать теплофизические свойства расплавленных солей при конечных температурах. Наши выводы для соли, известной как FLiNaK (содержит LiF, NaF, KF), совпадают с имеющимися экспериментальными данными, что побуждает нас продолжить эту работу с другими солевыми составами и расширить диапазон свойств. Это в конечном итоге сделает возможными разработки под управлением вычислений в ядерных реакторах следующего поколения».
Решение, используемое командой для расчета свойств расплавленной соли, известно как машинно-обученные межатомные потенциалы. Они обучаются на выходных данных моделей меньшего масштаба, сформулированных с квантово-механической точностью. Если бы не машинное обучение, фундаментальные расчеты стали бы слишком требовательными к вычислительным ресурсам к тому времени, когда исследователи добрались бы до масштаба, достаточно большого для того, чтобы физические свойства проявились в модели.
Автор Мария Захарова
Контакты, администрация и авторы