Formation of ionic networks in molten salt mixtures. Computer experiment

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Molten salts are used as heat-conducting media in liquid salt reactors and solar installations. Knowledge of the thermal conductivity of molten salt is necessary for the safe operation of these units. Computational methods are an alternative way to the hard-to-reach experimental way of determining thermal conductivity. In this work, the temperature dependence of the thermal conductivity of the molten salt FLiNaK, as well as this molten salt with NdF3 dissolved in it, was calculated using the method of equilibrium molecular dynamics. The temperature trend of thermal conductivity, as well as its change after the dissolution of NdF3 in FLiNaK, is explained based on the determination of the dynamic network of ionic bonds that exists in the molten salt model. Networks of ionic bonds were established with an upper limit of interionic distance of 0.2 nm for both types of salt melts and with a limit of 0.27 nm for the Nd–F network in a melt containing NdF3. These networks of bonds appear in different parts of the system over time and may disappear completely. The total number of dynamic network nodes, determined during the correlation of heat flows, has an impact on the thermal conductivity value of the simulated system. A new method for interpreting the temperature behavior of the thermal conductivity of molten salt in a computer model can be used for predictive purposes when fluorides of various lanthanides and actinides are dissolved in salt melts.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. E. Galashev

Institute of High Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Science; Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin

Author for correspondence.
Email: galashev@ihte.uran.ru
Russian Federation, Yekaterinburg; Yekaterinburg

References

  1. C. Halliday, T.A. Hatton. Appl. Energy. 280, 116016 (2020). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.116016
  2. N. Sorbom, J. Ball, T.R. Palmer, F.J. Mangiarotti, J.M. Sierchio et al. Fusion Eng. Des. 100, 378 (2015). https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.07.008
  3. M.A. M. Akanda, D. Shin. J. Ener. Storage. 60, 106608 (2023). https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106608
  4. L.N. Ignatieva, V.A. Mashchenko, O.M. Gorbenko, V.M. Bouznik. Rus. J. Phys. Chem. B. 17(6), 1330 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123060039
  5. B.C. Froese. Adsorption of Neodymium Experiment Design to Simulate Nuclear Fuel Reprocessing. Syracuse: University Honors Program Capstone Projects, 2011, pp. 5–14. https://surface.syr.edu/honors_capstone/249
  6. Cervi, A. Lorenzi, A. Cammi, L. Luzzi. Chem. Eng. Sci. 193, 379 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.09.025
  7. V.M.B. Nunes, M.J.V. Lourenco, F.J.V. Santos, C.A. Nieto de Castro. J. Chem. Eng. Data 48.(3), 446 (2003). https://doi.org/10.1021/je020160l
  8. A.E. Gheribi, P. Chartrand, J. Chem. Phys. 144(8), 084506 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4942197
  9. A.E. Gheribi, J.A. Torres, P. Chartrand. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 126, 11 (2014). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2014.03.028
  10. R. G. Ross, P. Andersson, B. Sundqvist, G. Backstrom. Rep. Prog. Phys. 47(10), 1347 (1984). https://doi.org/10.1088/0034-4885/47/10/002
  11. R.R. Romatoski, L.W. Hu. Ann. Nucl. Energy. 109(2–3), 635 (2017). https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.05.036
  12. X.-H. An, J.-H. Cheng, H.-Q. Yin, L.-D. Xie, P. Zhang. Int. J. Heat Mass Transfer 90. 872 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.07.042
  13. S. G. Robertson, R. Wiser, W. Yang, D. Kang, S. Choi, E. Baglietto, M.P. Short. J. Appl. Phys. 131(22), 225102 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0088059
  14. Y. Nagasaka, N. Nakazawa, A. Nagashima. Int. J. Thermophys. 13(4), 555 (1992). https://doi.org/10.1007/BF00501941
  15. G. Robertson, M.P. Short. Rev. Sci. Instrum. 92, 064905 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0049727
  16. J.R.D. Copley, J.M. Rowe. Phys. Rev. Lett. 32(2), 49 (1974). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.32.49
  17. F. Demmel, S. Hosokawa, W.-C. Pilgrim. J. Phys.: Condens. Matter. 33(37), 375103 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac101c
  18. Hosokawa, F. Demmel, W.-C. Pilgrim, M. Inui, S. Tsutsui, A.Q.R. Baron. Electrochem. 77(8), 608 (2009). https://doi.org/10.5796/electrochemistry.77.608
  19. Bryk, I.M. Mryglod. J. Mol. Liquids. 120(1–3), 83 (2005). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2004.07.041
  20. Kshevetskii, Y.A. Kurdyaeva, N.M. Gavrilov. Rus. J. Phys. Chem. B. 17(5), 1228 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123050238
  21. M. P. Tosi, F. G. Fumi. J. Phys. Chem. Solids. 25(1), 45 (1964). https://doi.org/10.1016/0022-3697(64)90160-x
  22. D.J. Adams, I.R. McDonald. J. Phys. C: Solid State Phys. 7(16), 2761 (1974). https://doi.org/10.1088/0022-3719/7/16/009
  23. L. Pauling. J. Amer. Chem. Soc. 51(4), 1010 (1929). https://doi.org/10.1021/ja01379a006
  24. A.Y. Galashev, O.R. Rakhmanova, K.A. Abramova, K.P. Katin, M.M. Maslov et al. J. Phys. Chem. B. 127(5), 1197 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c06915
  25. J.E. Mayer, J. Chem. Phys. 1(4), 270 (1933). https://doi.org/10.1063/1.1749283
  26. H. Wang. Molecular Dynamics Simulations of Molten Salts: Force Field Evaluation and Development. Ph.D. Dissertation, Indiana: University of Notre Dame, Notre Dame, 2022.
  27. Y. Ishii, K. Sato, M. Salanne, P. A. Madden, N. Ohtori. J. Phys. Chem. B. 118(12), 3385 (2014). https://doi.org/10.1021/jp411781n
  28. E.I. Rudenko, N.V. Dohlikova, A.K. Gatin, S.Y. Sarvadiy, M.V. Grishin. Russ. J. Phys. Chem. B 17(4), 845 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123040164
  29. B. Cordero, V. Gomes, A. Platero-Prats, M. Reves, J. Echeverria et al. Dalton Trans. 21(21), 2832 (2008). https://doi.org/10.1039/b801115j
  30. S. Thakur, C.J. Dionne, P. Karna, S.W. King, W. Lanford. Phys. Rev. Mater. 6, 094601 (2022). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.094601
  31. Rudenko, A. Redkin, E. Il’ina, S. Pershina et al. Materials. 15(16), 5603 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15165603
  32. I.L. Braun, S.W. King, A. Giri, J. Gaskins, M. Sato et al. Appl. Phys. Lett. 109(19), 191905 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4967309
  33. A.A. Voznyakovskii, A.P. Voznyakovskii, S.V. Kidalov, V.I. Zavarinsky. Rus. J. Phys. Chem. B. 15(3), 377 (2021). https://doi.org/10.1134/S1990793121030325
  34. R.L. Xu, M.M. Rojo, S.M. Islam, A. Sood, B. Vareskic. et al. J. Appl. Phys. 126(18), 185105 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5097172
  35. A.Y. Galashev. Appl. Sci. 13(2), 1085 (2023). https://doi.org/10.3390/app13021085
  36. A.S. Özen, Z. Akdeniz. J. Mol. Liquids 368. Part B, 20771 (2022). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.120771
  37. J. Li, H. Guo, H. Zhang, T. Li. Y. Gong, Chem. Phys. Lett. 718, 63 (2019). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.01.035
  38. Bessada, D. Zanghi, M. Salanne, A. Gil-Martin, M. Gibilaro et al. J. Mol. Liquids. 307(2), 112927 (2020). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112927

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. General view of the FLiNaK + 15 mol% NdF3 system before the MD calculation (t = 0 s, shown on the left) and at the end of the calculation when the melt was obtained at T = 1020 K (t = 2.5 ns, shown on the right).

Download (366KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Relative number of interconnected positive and negative ions in the FLiNaK + + 15 mol% NdF3 system forming Li+-F- bonds with lengths less than 0.2 nm (a) and Nd3+-F- bonds with lengths ≤0.27 (b); dashed lines and numbers near the curves show average values of the number of interconnected Nb ions.

Download (121KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Placement of Li+ ions in the system FLiNaK + + + 15 mol% NdF3 (800 K) at the end of the calculation.

Download (189KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Nodes of the largest bond mesh with bond lengths of 0.2 nm or less between positive and negative ions in the system FLiNaK + 15 mol% NdF3 at 800 K.

Download (128KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Placement of Nd3+ ions in the FLiNaK + + 15 mol% NdF3 system at the end of the calculation at 1020 K.

Download (136KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Nodes of the bond mesh between Nd3+ and F- ions in the FLiNaK + 15 mol% NdF3 system with bond lengths of 0.27 nm or less at the end of the calculation at 1020 K.

Download (67KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature dependence of the relative number of bound ions for the systems FLiNaK and FLiNaK + 15 mol% NdF3; dashed lines - linear approximation of the presented dependences; in the figure the term “total number” means that the bond lengths Lb of all positive ions with F - not exceeding 0.2 nm, as well as Lb of dissolved ions with Nd3+-F bonds not exceeding 0.27 nm are taken into account.

Download (51KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Thermal conductivity of the systems FLiNaK and FLiNaK + + + 15 mol% NdF3 determined in the molecular dynamic calculation (the present work) and in the experiment to determine the coefficient λ by the laser flash method [31].

Download (32KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».