Prediction of molten chlorides structural and thermophysical properties for molten salt reactors: a classical molecular dynamics study

Molten salts are promising materials for advanced energy systems due to their favorable chemical and thermophysical properties, which make them suitable for high-temperature applications. In particular, chlorides have emerged as strong candidates for both fuel and coolant in fast-spectrum molten salt reactors (MSRs). However, the development of such technologies is currently limited by the scarcity of experimental data on key thermophysical properties. Classical molecular dynamics (MD) has proven to be a powerful tool to address this issue and study the behavior of molten salts. This work investigates the structural and thermophysical properties of molten NaCl, MgCl2, and CeCl3, as well as the binary NaCl—MgCl2 system and a ternary mixture representative of the fuel simulant for the fast-spectrum MSR concept ARAMIS. To this end, classical MD simulations were performed using an interatomic potential based on the Polarizable Ion Model (PIM). To achieve more reliable predictions across the entire composition space, a refitting procedure was carried out on the Mg--Cl and Na--Cl interaction parameters, based on experimental density values. The resulting local structure was found to be in excellent agreement with experimental measurements, supporting the reliability of the adopted potential. The simulations accurately predicted static properties such as density, heat capacity, and thermal expansion coefficient, particularly for the pure salts. Non-ideal behavior was also observed for mixed compositions. Although slightly overestimated, both viscosity and thermal conductivity predictions were generally consistent with literature data, with the latter showing greater variability due to the complexity of its calculation. Non-ideal trends were also identified in these transport properties. Overall, the results are in good agreement with the available literature, supporting the reliability of the adopted methodology and potentially contributing to the development and design of MSRs.

I sali fusi sono materiali promettenti per i sistemi energetici avanzati grazie alle loro proprietà chimiche e termofisiche favorevoli, che li rendono adatti ad applicazioni ad alta temperatura. In particolare, i cloruri si sono rivelati ottimi candidati sia come combustibile che come refrigerante nei reattori a sali fusi (MSR) a spettro veloce. Tuttavia, lo sviluppo di tali tecnologie è attualmente limitato dalla scarsità di dati sperimentali sulle proprietà termofisiche chiave. La dinamica molecolare (MD) classica si è dimostrata uno strumento potente per affrontare questo problema e studiare il comportamento dei sali fusi. Questo lavoro studia le proprietà strutturali e termofisiche del NaCl, MgCl2 e CeCl3 fusi, nonché il sistema binario NaCl-MgCl2 e una miscela ternaria rappresentativa del simulante di combustibile per il concetto di MSR a spettro veloce ARAMIS. A tal fine, sono state eseguite simulazioni di MD classica utilizzando un potenziale interatomico basato sul modello a ioni polarizzabili (PIM). Per ottenere previsioni più affidabili nell'intero spettro di composizioni, è stata eseguita una procedura di ricalibrazione sui parametri di interazione Mg--Cl e Na--Cl, basata sui valori di densità sperimentali. La struttura locale risultante è risultata in eccellente accordo con le misurazioni sperimentali, a conferma dell'affidabilità del potenziale adottato. Le simulazioni hanno predetto con precisione le proprietà statiche quali densità, capacità termica e coefficiente di espansione termica, in particolare per i sali puri. È stato anche osservato un comportamento non ideale per le composizioni miste. Sebbene leggermente sovrastimate, le previsioni relative alla viscosità e alla conducibilità termica sono state generalmente coerenti con i dati riportati in letteratura, con una maggiore variabilità per la seconda a causa della complessità del suo calcolo. Anche in queste proprietà di trasporto sono state identificate tendenze non ideali. Nel complesso, i risultati sono in buon accordo con la letteratura disponibile, andando a sostegno dell'affidabilità della metodologia adottata e potenzialmente contribuendo allo sviluppo e alla progettazione di MSR.