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Le applicazioni dei sali fusi
I sali fusi sono stabili a temperature elevate, superiori a 300 °C, e presentano notevoli proprietà termiche. Queste proprietà sono fondamentali per le applicazioni che richiedono un efficiente trasferimento di calore, come ad esempio nei reattori a fissione nucleare e nelle centrali solari.
In particolare, il sale fuso FLiNaK, una miscela eutettica di fluoruro di litio (LiF), fluoruro di sodio (NaF) e fluoruro di potassio (KF), un materiale promettente per la costruzione di un reattore, è caratterizzato da un’elevata conduttività termica.
In questi contesti, il FLiNaK agisce come refrigerante e mezzo di trasferimento di calore, per cui la sua capacità termica specifica capacità termica e la densità sono determinanti per la progettazione del sistema.
Nei reattori a sali fusi, un tipo avanzato di reattore nucleare, il FLiNaK viene utilizzato come mezzo di trasporto per il materiale fissile. Questi reattori sfruttano gli alti punti di fusione e le eccellenti capacità di trasferimento del calore dei sali fusi per consentire una fissione nucleare più efficiente e sicura.
Rispetto ai reattori convenzionali ad acqua, offrono diversi vantaggi, come temperature di esercizio più elevate, che consentono di migliorare l’efficienza termica, e pressioni di esercizio più basse, che riducono il rischio di esplosioni di vapore.
I sali fusi sono utilizzati come mezzo di trasferimento del calore nelle centrali solari termiche per immagazzinare e trasportare l’energia solare assorbita dai collettori solari. La loro capacità di immagazzinare calore per lunghi periodi di tempo consente di generare energia in modo continuo, anche in assenza di luce solare diretta.
Questo migliora significativamente l’efficienza e l’affidabilità complessiva di questi sistemi, garantendo una fornitura di energia costante indipendentemente dall’ora del giorno o dalle condizioni atmosferiche.
L'importanza della termochimica e delle proprietà termofisiche per lo studio dei sali fusi
La termochimica e la termodinamica sono strumenti fondamentali nello studio dei sali fusi, in quanto forniscono una visione completa delle proprietà di questi materiali.
L’energia di Gibbs, l’entalpia entalpia entropia e capacità termica sono parametri di grande importanza. L’energia di Gibbs è una misura del potenziale termodinamico di un sistema per compiere lavoro e svolge un ruolo chiave nel determinare la direzione e l’entità delle reazioni chimiche e gli equilibri di fase dei sali fusi. Inoltre, influenza la stabilità di questi sali, che a sua volta è fondamentale per comprendere e ottimizzare le loro applicazioni e i loro usi.
Le proprietà termofisiche dei sali fusi sono altrettanto importanti. Queste proprietà comprendono la
La densità dei sali fusi influenza le proprietà di flusso e la distribuzione del calore, mentre la conducibilità termica ha un’influenza significativa sull’efficienza del trasferimento di calore in questi sistemi. Il coefficiente di trasferimento del calore è un fattore decisivo per l’efficienza dei processi di scambio termico nei sali fusi.
Nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie basate sui sali fusi, è quindi essenziale un’indagine approfondita delle proprietà termochimiche e termofisiche. Queste conoscenze permettono di migliorare le prestazioni e l’efficienza di questi sistemi e di utilizzarli per un’ampia gamma di applicazioni in settori come l’energia nucleare, l’energia solare, l’estrazione dei metalli e l’elettrochimica.
STA, l'Analizzatore di Diffusività Termica Laser Flash e il Dilatometro sono strumenti potenti per l'analisi dei sali fusi.
La combinazione di diverse tecniche analitiche permette di indagare a fondo sulle proprietà termochimiche e termofisiche dei sali fusi.
Sviluppare una comprensione completa di questi materiali è fondamentale per ottimizzarne le applicazioni in diversi settori chiave.
Analisi termica simultanea (STA)
Una delle tecniche utilizzate è Analisi termica simultanea (STA) una combinazione di analisi termogravimetrica (TGA) e Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) che consente di determinare un’ampia gamma di proprietà.
Con uno STA, la perdita di massa , punto di fusione , transizioni di fase , la capacità termica , il stabilità termica stabilità termica È possibile analizzare la stabilità termica e la decomposizione dei sali fusi e studiare i gas prodotti utilizzando strumenti accoppiati come lo spettrometro di massa.
Ad esempio, uno STA può essere utilizzato per definire la decomposizione termica del nitrato di litio, che è un componente importante di alcuni sali fusi.
Analisi laser flash (LFA)
Un’altra tecnica preziosa è la Laser Flash Analysis (LFA), che può misurare la diffusività termica e la conduttività termica di sali fusi di diversa composizione ad alte temperature.
Ad esempio, la diffusività termica del cloruro di sodio, un sale fuso comunemente utilizzato, può essere misurata con un LFA.
Dilatometria (DIL)
La dilatometria (DIL) è un’altra tecnica importante che viene utilizzata per determinare l’espansione termica espansione termica dei sali fusi a diverse temperature.
Questi dati sono particolarmente importanti per la progettazione di reattori a sali fusi, in cui i materiali si espandono e si contraggono a temperature variabili.
Nella ricerca e nello sviluppo delle tecnologie dei sali fusi, queste tecniche analitiche sono essenziali per caratterizzare le proprietà dei materiali e comprenderne il comportamento in diverse condizioni.
Questa comprensione è la chiave per l’ottimizzazione e l’ulteriore sviluppo delle applicazioni dei sali fusi in vari settori industriali e scientifici.
Misure simultanee TG-DSC su sali fusi
L’importanza dell’accumulo e del trasferimento di calore è in forte crescita in relazione alla crescente produzione di fonti energetiche alternative, ad esempio nelle centrali solari, dove i sali fusi vengono utilizzati come fluidi di trasferimento del calore e PCM (materiali a cambiamento di fase).
L’efficienza dei sali utilizzati dipende dalle proprietà del materiale come il calore di fusione, la capacità termica, la densità, la conducibilità termica, l’espansione volumetrica, ecc.
Diversi metodi di analisi termica sono quindi adatti a caratterizzare l’efficienza dei sali fusi.
Nota applicativa: Stabilità dei sali fusi mediante analisi termica simultanea (STA L82)
In questo studio vengono presentati i risultati delle misurazioni TG-DSC sul nitrato di calcio tetraidrato – Ca(NO3)2.
Il campione è stato analizzato con una lente di ghiaccio STA L82 che monitora contemporaneamente la variazione di peso e il segnale DSC. L’entalpia delle transizioni di fase e la capacità termica possono essere determinate dal segnale DSC.
Il campione è stato riscaldato in un crogiolo di alluminio chiuso a 180 °C con una velocità di riscaldamento di 10 K/min e mantenuto isotermico per 3 ore. Successivamente è stato portato a 600 °C con una velocità di riscaldamento di 10 K/min.
Risultati e discussione
La Figura 1 mostra i risultati della misurazione. La curva blu mostra la perdita di massa e la curva rossa il segnale DSC.
Il primo picco nel segnale DSC è causato dalla fusione del campione. L’inizio del picco di fusione è a 46 °C.
Dopo la completa fusione del campione, si verifica un secondo picco endotermico con insorgenza a 141 °C. Il
Durante il tempo di mantenimento isotermico a 180 °C, il campione non subisce ulteriori cambiamenti, il che significa che questa temperatura è ideale per essiccare il sale e ottenere il sale anidro.
Quando viene riscaldato nuovamente a 541 °C, si verifica un picco endotermico. Il sale anidro si scioglie. Tuttavia, il segnale TG mostra una perdita di peso. Questo indica che il sale si decompone durante la fusione. Pertanto, l’entalpia di fusione e la capacità termica del sale anidro fuso non possono essere misurate direttamente.
Tuttavia, questo risultato può essere ottenuto con ulteriori misurazioni TG-DSC di miscele di sali. Il nitrato di calcio deve essere mescolato con nitrato di litio, sodio o potassio in diverse percentuali molari. Le
Lo stesso metodo viene utilizzato per misurare la capacità termica del nitrato di calcio anidro fuso.
Conclusione
I metodi termoanalitici sono molto adatti per ottenere le proprietà materiali dei sali fusi.
L’analisi simultanea TG-DSC fornisce il calore di fusione e la capacità termica allo stato solido e fuso.
I segnali di variazione di massa possono essere utilizzati, ad esempio, per rilevare l’evaporazione dell’acqua dei cristalli e la decomposizione del sale.
Misure di conducibilità termica su sali fusi con la tecnica del flash laser
La determinazione e l’ottimizzazione della conduttività termica dei sali liquidi è un elemento importante per lo sviluppo di una nuova generazione di reattori nucleari, il cosiddetto reattore a sali fusi. In questo caso, i sali fusi servono sia come accumulo di calore che come mezzo per trasferire il calore generato nel nucleo del reattore.
Esistono diversi metodi per determinare la conducibilità termica dei liquidi, ognuno dei quali presenta vantaggi e svantaggi. È necessario evitare la generazione di perdite di calore attraverso la convezione e l’irraggiamento termico durante la misurazione, poiché queste introducono errori di misura significativi e quindi producono risultati errati. La convezione si verifica, ad esempio, con i metodi stazionari a causa dell’applicazione dei gradienti di temperatura necessari per la misurazione, che vengono amplificati dai tempi di misurazione tipicamente molto lunghi.
Il metodo più promettente per determinare la conducibilità termica dei sali fusi è il metodo del flash laser, in quanto si tratta di una misurazione assoluta e quindi non richiede la calibrazione con un materiale di riferimento. Inoltre, gli effetti di convezione sono ridotti al minimo grazie alla piccola quantità di campione richiesta e ai brevi tempi di misurazione.
Tuttavia, poiché il metodo del flash laser è stato progettato principalmente per materiali omogenei e solidi, è necessario costruire un supporto speciale per i campioni.
La Figura 2 mostra lo schema del crogiolo campione costruito. Il crogiolo è realizzato in grafite, in quanto può resistere alle proprietà corrosive del sale anche a temperature più elevate. La base e il coperchio sono fissati in modo che lo spessore del campione al centro del crogiolo sia definito a una certa distanza. Il design prevede anche uno spazio aggiuntivo sui lati in modo che il materiale possa espandersi a temperature più elevate. Il coperchio è inoltre dotato di fori per consentire la fuoriuscita dei gas prodotti dal materiale. Quest’ultimo punto è fondamentale, poiché i gas disciolti possono formare bolle che causano disomogeneità nel materiale o un cattivo contatto con il crogiolo.
Nota applicativa: Misura della diffusività termica dei sali fusi con LFA L52
La misurazione della diffusività termica del sale fuso FLiNaK qui presentata è stata effettuata in atmosfera di elio da 773 K a 973 K utilizzando un sistema Linseis LFA L52. Il crogiolo appositamente progettato è stato inserito in un robot per campioni che può contenere fino a tre campioni contemporaneamente. Prima del test vero e proprio, il campione è stato preriscaldato più volte leggermente al di sopra della temperatura di fusione per consentire il degassamento del materiale ed evitare così la formazione di bolle nel sale fuso.
Risultati e discussione
I risultati della diffusività termica e della conducibilità termica sono mostrati nel grafico seguente. Entrambe le proprietà mostrano un aumento abbastanza lineare dei valori con la temperatura.
In sintesi, la conducibilità termica nell’intervallo di temperatura da 773 K a 973 K del sale liquido FLiNaK è stata determinata in 0,652-0,927 W/m∙K con un’incertezza di +/- 0,023 W/m∙K [1]. Questo dato mostra un buon accordo con i valori pubblicati in precedenza.
Risultati e discussione
In conclusione, la tecnica del flash laser in combinazione con il crogiolo appositamente sviluppato e il modello combinato di Dusza è un metodo affidabile per determinare la diffusività termica dei sali fusi ad alte temperature*.
Domande frequenti
Cosa sono i sali fusi?
I sali fusi sono sali inorganici che si sciolgono ad alte temperature e possono essere utilizzati come liquido per il trasferimento di calore.
A cosa servono i sali fusi?
Sono utilizzati nelle centrali solari a concentrazione (CSP), nella tecnologia nucleare, nei sistemi di accumulo di calore ad alta temperatura e nell’industria per fornire calore di processo.
Quali vantaggi offrono i Sali fusi rispetto ai classici vettori di calore?
Hanno un’elevata stabilità termica, immagazzinano grandi quantità di calore e consentono di operare a temperature superiori a 500 °C: l’ideale per sistemi energetici efficienti.
Quali sono le sfide da affrontare quando si utilizzano i sali fusi?
La corrosione, gli alti punti di fusione e la compatibilità dei materiali sono sfide fondamentali che devono essere prese in considerazione al momento della scelta e della progettazione.
Come si possono misurare le proprietà termofisiche dei sali fusi?
Per determinare la conducibilità termica, la capacità termica e il comportamento di espansione si possono utilizzare dispositivi di analisi termica come la dilatometria, la DSC o l’analisi laser flash.
