جدول المحتويات
تطبيقات الأملاح المنصهرة
الأملاح المنصهرة مستقرة في درجات حرارة عالية تزيد عن 300 درجة مئوية وتُظهر خصائص حرارية رائعة. وهذه الخصائص ضرورية للتطبيقات التي تتطلب نقل الحرارة بكفاءة، مثل مفاعلات الانشطار النووي ومحطات الطاقة الشمسية.
وعلى وجه الخصوص، يتميز الملح المنصهر FLiNaK، وهو خليط سهل الانصهار من فلوريد الليثيوم (LiF) وفلوريد الصوديوم (NaF) وفلوريد البوتاسيوم (KF)، وهو مادة واعدة لبناء مفاعل، بموصلية حرارية عالية.
في هذه السياقات، يعمل FLiNaK كمبرد ووسيط لنقل الحرارة، حيث يعمل قدرتها الحرارية سعته الحرارية النوعية والكثافة حاسمة في تصميم النظام.
وفي مفاعلات الأملاح المنصهرة، وهو نوع متقدم من المفاعلات النووية، يُستخدم FLiNaK كوسيط حامل للمواد الانشطارية. وتستفيد هذه المفاعلات من درجات الانصهار العالية وقدرات النقل الحراري الممتازة للأملاح المنصهرة لتمكين الانشطار النووي الأكثر كفاءة وأماناً.
وبالمقارنة مع المفاعلات التقليدية القائمة على الماء، فإنها توفر العديد من المزايا، مثل درجات حرارة تشغيل أعلى، مما يتيح تحسين الكفاءة الحرارية، وضغوط تشغيل أقل، مما يقلل من خطر حدوث انفجارات بخارية.
تُستخدم الأملاح المنصهرة كوسيط لنقل الحرارة في محطات الطاقة الشمسية الحرارية لتخزين ونقل الطاقة الشمسية التي تمتصها المجمعات الشمسية. وتمكن قدرتها على تخزين الحرارة على مدى فترات طويلة من الزمن من توليد الطاقة بشكل مستمر، حتى في حالة عدم وجود ضوء الشمس المباشر.
وهذا يحسن بشكل كبير من كفاءة هذه الأنظمة وموثوقيتها بشكل عام من خلال ضمان إمدادات طاقة ثابتة بغض النظر عن الوقت من اليوم أو الظروف الجوية.
أهمية الكيمياء الحرارية والخصائص الفيزيائية الحرارية للتحقيق في الأملاح المنصهرة
تُعد الكيمياء الحرارية والديناميكا الحرارية من الأدوات الحاسمة في دراسة الأملاح المنصهرة، حيث توفر رؤى شاملة حول خواص هذه المواد.
طاقة جيبس، طاقة جيبس، و الإنثالبي والإنتروبي والسعة الحرارية معلمات ذات أهمية كبيرة. وطاقة جيبس هي مقياس لإمكانية الديناميكا الحرارية لنظام ما للقيام بشغل وتؤدي دورًا رئيسيًا في تحديد اتجاه ومدى التفاعلات الكيميائية وتوازنات أطوار الأملاح المنصهرة. كما أنها تؤثر أيضًا على استقرار هذه الأملاح، وهذا بدوره أساسي لفهم تطبيقاتها واستخداماتها وتحسينها.
كما أن الخواص الفيزيائية الحرارية للأملاح المنصهرة لها نفس القدر من الأهمية. وتشمل هذه الخواص
تؤثر كثافة الأملاح المنصهرة على خصائص التدفق وتوزيع الحرارة، بينما تؤثر الموصلية الحرارية تأثيرًا كبيرًا على كفاءة انتقال الحرارة في هذه الأنظمة. يعد معامل انتقال الحرارة عاملًا حاسمًا لكفاءة عمليات التبادل الحراري في الأملاح المنصهرة.
وفي مجال البحث والتطوير للتكنولوجيات القائمة على الأملاح المنصهرة وتطويرها، من الضروري إجراء تحقيق شامل في الخصائص الكيميائية الحرارية والفيزيائية الحرارية. وهذه المعرفة تجعل من الممكن تحسين أداء وكفاءة هذه الأنظمة والاستفادة منها في مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مثل الطاقة النووية والطاقة الشمسية واستخراج المعادن والكيمياء الكهربائية.
STA، ومحلل الانتشار الحراري بالليزر الوامض بالليزر ومقياس التمدد هي أدوات قوية لتحليل الأملاح المنصهرة
يتيح الجمع بين التقنيات التحليلية المختلفة إجراء تحقيق متعمق في الخصائص الكيميائية الحرارية والفيزيائية الحرارية للأملاح المنصهرة.
يعد تطوير فهم شامل لهذه المواد أمرًا بالغ الأهمية لتحسين تطبيقاتها في مختلف المجالات الرئيسية.
التحليل الحراري المتزامن (STA)
إحدى التقنيات المستخدمة هي التحليل الحراري المتزامن (STA) وهو مزيج من تحليل قياس الثقل الحراري (TGA) و المسح الحراري التفاضلي (DSC) مما يجعل من الممكن تحديد مجموعة واسعة من الخصائص.
مع STA، فإن فقدان الكتلة , نقطة الانصهار , التحولات الطورية و السعة الحرارية السعة الحرارية الحرارية الحراريةوتحلل الأملاح المنصهرة يمكن تحليلها ويمكن أيضًا فحص الغازات الناتجة باستخدام أجهزة مقترنة مثل مطياف الكتلة.
على سبيل المثال، يمكن استخدام STA لتحديد التحلل الحراري لنيترات الليثيوم، وهو مكون مهم في بعض الأملاح المنصهرة.
تحليل الوميض الليزري (LFA)
وهناك تقنية أخرى قيّمة وهي تحليل الوميض بالليزر (LFA)، والتي يمكنها قياس الانتشار الحراري والتوصيل الحراري للأملاح المنصهرة ذات التركيبات المختلفة في درجات حرارة عالية.
على سبيل المثال، يمكن قياس الانتشار الحراري لكلوريد الصوديوم، وهو ملح منصهر شائع الاستخدام، باستخدام جهاز LFA.
قياس التمدد (DIL)
إن قياس التمدد (DIL) هي تقنية مهمة أخرى تُستخدم لتحديد التمدد الحراري التمدد الحراري للأملاح المنصهرة عند درجات حرارة مختلفة.
هذه البيانات ذات صلة خاصة بتصميم مفاعلات الأملاح المنصهرة، حيث تتمدد المواد وتنكمش تحت درجات حرارة متغيرة.
في مجال البحث والتطوير لتقنيات الأملاح المنصهرة، تُعد هذه التقنيات التحليلية ضرورية لتوصيف خصائص المواد وفهم سلوكها في ظل ظروف مختلفة.
هذا الفهم هو مفتاح تحسين وتطوير تطبيقات الأملاح المنصهرة في مختلف المجالات الصناعية والعلمية.
قياسات TG-DSC المتزامنة على الأملاح المنصهرة
تتزايد أهمية تخزين الحرارة ونقل الحرارة بقوة فيما يتعلق بالإنتاج المتزايد لمصادر الطاقة البديلة، على سبيل المثال في محطات الطاقة الشمسية، حيث تُستخدم الأملاح المنصهرة كسوائل لنقل الحرارة ومواد تغيير الطور (PCM).
تعتمد كفاءة الأملاح المستخدمة على خواص المواد مثل حرارة الانصهار والسعة الحرارية والكثافة والتوصيل الحراري والتوسع الحجمي وما إلى ذلك.
وبالتالي فإن طرق التحليل الحراري المختلفة مناسبة لتوصيف كفاءة الأملاح المنصهرة.
ملاحظة تطبيقية: استقرار الأملاح المنصهرة عن طريق التحليل الحراري المتزامن (STA L82)
في هذه الدراسة، تناقش نتائج قياسات TG-DSC على رباعي هيدرات الكالسيوم نترات الكالسيوم – Ca(NO3)2. 4H2O– ومناقشتها. يستخدم هذا الملح بالفعل على نطاق واسع كمادة لتخزين الحرارة ونقل الحرارة لأنه غير مكلف وفعال للغاية.
حُلِّلت العينة باستخدام عدسة ثلج STA L82 جهاز التي ترصد في الوقت نفسه التغير في الوزن وإشارة DSC. يمكن تحديد إنثالبي التحولات الطورية والسعة الحرارية من إشارة DSC.
تم تسخين العينة في بوتقة مغلقة من الألومنيوم إلى 180 درجة مئوية بمعدل تسخين 10 كلفن/دقيقة وظلت متساوية الحرارة لمدة 3 ساعات. ثم تم تسخينها إلى 600 درجة مئوية بمعدل تسخين 10 كلفن/دقيقة.
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 1 نتائج القياس. يوضح المنحنى الأزرق فقدان الكتلة والمنحنى الأحمر إشارة DSC.
تحدث القمة الأولى في إشارة DSC بسبب ذوبان العينة. تكون بداية ذروة الذوبان عند 46 درجة مئوية.
بعد الذوبان الكامل للعينة، تحدث ذروة ثانية ماصة للحرارة مع بداية عند 141 درجة مئوية. تُظهر
خلال فترة الاحتجاز المتساوي الحرارة عند 180 درجة مئوية، لا تخضع العينة لأي تغيرات أخرى، مما يعني أن درجة الحرارة هذه مثالية لتجفيف الملح والحصول على الملح اللامائي.
عند تسخينه مرة أخرى إلى 541 درجة مئوية، تحدث قمة ماصة للحرارة. يذوب الملح اللامائي. ومع ذلك، تُظهر إشارة TG فقدانًا في الوزن. وهذا يشير إلى أن الملح يتحلل أثناء الذوبان. ولذلك، لا يمكن قياس إنثالبي الانصهار والسعة الحرارية للملح اللامائي المنصهر مباشرةً.
ومع ذلك، يمكن تحقيق ذلك من خلال المزيد من قياسات TG-DSC لمخاليط الملح. يجب خلط نترات الكالسيوم مع نترات الليثيوم أو الصوديوم أو نترات البوتاسيوم بنسب مولية مختلفة. يمكن تحديد إنثالبي الانصهار من قمم ذوبان DSC للمخاليط. يمكن بعد ذلك حساب إنثالبي ان صهار نترات الكالسيوم النقية ببساطة عن طريق الاستقراء إلى نسبة مئوية مولارية 100 % بالنسبة إلى نترات الكالسيوم.
تُستخدم الطريقة نفسها لقياس السعة الحرارية لنيترات الكالسيوم اللامائية المنصهرة.
الخاتمة
تعد طرق التحليل الحراري مناسبة جدًا للحصول على الخواص المادية للأملاح المنصهرة.
يوفر تحليل TG-DSC المتزامن حرارة الاندماج والسعة الحرارية في الحالة الصلبة والمنصهرة.
يمكن استخدام إشارات تغير الكتلة، على سبيل المثال، للكشف عن تبخر الماء البلوري وتحلل الملح.
قياسات التوصيل الحراري للأملاح المنصهرة باستخدام تقنية الوميض بالليزر
يعدّ تحديد وتحسين التوصيل الحراري للأملاح السائلة لبنة مهمة في تطوير جيل جديد من المفاعلات النووية، وهو ما يسمى بمفاعل الملح المنصهر. وهنا، تعمل الأملاح المنصهرة كمخزن للحرارة وكوسيط لنقل الحرارة المتولدة في قلب المفاعل.
هناك طرق مختلفة لتحديد الموصلية الحرارية للسوائل، ولكل منها مزاياها وعيوبها. وينبغي تجنب توليد الفقد الحراري من خلال الحمل الحراري والإشعاع الحراري أثناء القياس، حيث إن ذلك يؤدي إلى حدوث أخطاء كبيرة في القياس وبالتالي ينتج عنه نتائج خاطئة. يحدث الحمل الحراري، على سبيل المثال، مع الطرق الثابتة بسبب تطبيق التدرجات الحرارية المطلوبة للقياس، والتي تتضخم بسبب أزمنة القياس الطويلة جدًا عادةً.
أكثر الطرق الواعدة لتحديد الموصلية الحرارية للأملاح المنصهرة هي طريقة الوميض الليزري، حيث إنها قياس مطلق وبالتالي لا تتطلب معايرة مع مادة مرجعية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل تأثيرات الحمل الحراري إلى الحد الأدنى نظرًا لقلة كمية العينة المطلوبة وأوقات القياس القصيرة.
ومع ذلك، نظرًا لأن طريقة الوميض بالليزر مصممة في المقام الأول للمواد المتجانسة والصلبة، فإن بناء حامل عينة خاص مطلوب.
يوضح الشكل 2 مخططًا تخطيطيًا لبوتقة العينة المبنية. البوتقة مصنوعة من الجرافيت حيث يمكنها تحمل خصائص التآكل للملح حتى في درجات الحرارة العالية. يتم تثبيت القاعدة والغطاء بحيث يتم تحديد سمك العينة في وسط البوتقة بمسافة معينة. يوفر التصميم أيضًا مساحة إضافية على الجوانب بحيث يمكن للمادة أن تتمدد في درجات حرارة أعلى. يتم تزويد الغطاء أيضًا بفتحات بحيث يمكن لأي غازات ناتجة عن المادة أن تتسرب. وهذه النقطة الأخيرة هي نقطة أساسية، حيث أن الغازات الذائبة يمكن أن تشكل فقاعات تؤدي إلى عدم تجانس المادة أو سوء التلامس مع البوتقة.
ملاحظة تطبيقية: قياس الانتشار الحراري على الأملاح المنصهرة باستخدام LFA L52
تم إجراء قياس الانتشار الحراري للملح المنصهر FLiNaK المعروض هنا في جو هيليوم من 773 كلفن إلى 973 كلفن باستخدام نظام Linseis LFA L52. أُدخلت البوتقة المصممة خصيصًا في روبوت العينة الذي يمكنه حمل ما يصل إلى ثلاث عينات في وقت واحد. قبل الاختبار الفعلي، تم تسخين العينة قبل الاختبار الفعلي عدة مرات فوق درجة حرارة الانصهار بقليل للسماح بتفريغ المادة وبالتالي تجنب الفقاعات في الملح المنصهر.
النتائج والمناقشة
تظهر نتائج الانتشار الحراري والتوصيلية الحرارية في الرسم البياني أدناه. تُظهِر كلتا الخاصيتين زيادة خطية إلى حد ما في القيم مع درجة الحرارة.
وباختصار، تم تحديد الموصلية الحرارية في نطاق درجة الحرارة من 773 كلفن إلى 973 كلفن لملح سائل FLiNaK على أنها 0.652-0.927 واط/م/كلفن مع عدم يقين +/- 0.023 واط/م/كلفن [1]. وهذا يظهر اتفاقًا جيدًا مع القيم المنشورة سابقًا.
النتائج والمناقشة
في الختام، تُعد تقنية الوميض بالليزر مع البوتقة المطورة خصيصًا والنموذج المدمج لـ Dusza طريقة موثوقة لتحديد الانتشار الحراري للأملاح المنصهرة في درجات الحرارة العالية*.
الأسئلة الشائعة
ما هي الأملاح المنصهرة؟
الأملاح المنصهرة هي أملاح غير عضوية تذوب في درجات حرارة عالية ويمكن استخدامها بعد ذلك كسائل لنقل الحرارة.
ما هي الأملاح المنصهرة المستخدمة في ماذا تستخدم الأملاح المنصهرة؟
وهي تُستخدم في محطات الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، وفي التكنولوجيا النووية، وفي أنظمة تخزين الحرارة العالية الحرارة، وفي الصناعة لتوفير حرارة المعالجة.
ما هي المزايا التي توفرها الأملاح المنصهرة مقارنةً بناقلات الحرارة الكلاسيكية؟
فهي تتمتع بثبات حراري عالٍ، وتخزن كميات كبيرة من الحرارة وتتيح التشغيل في درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية – وهي مثالية لأنظمة الطاقة الفعالة.
ما هي التحديات الموجودة عند استخدام الأملاح المنصهرة؟
يمثل التآكل ونقاط الانصهار العالية وتوافق المواد تحديات رئيسية يجب أخذها في الاعتبار أثناء الاختيار والتصميم.
كيف يمكن قياس الخواص الفيزيائية الحرارية للأملاح المنصهرة؟
يمكن تحديد الموصلية الحرارية والسعة الحرارية وسلوك التمدد باستخدام أجهزة للتحليل الحراري مثل قياس التمدد أو DSC أو تحليل الوميض بالليزر.
