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溶融塩の用途
溶融塩は300℃以上の高温で安定し、顕著な熱特性を示す。
これらの特性は、核分裂炉や太陽光発電所のような効率的な熱伝達を必要とする用途にとって極めて重要である。
特に、フッ化リチウム（LiF）、フッ化ナトリウム（NaF）、フッ化カリウム（KF）の共晶混合物であるFLiNaK溶融塩は、その高い熱伝導性により、原子炉の建設に有望な材料である。
このような状況において、FLiNaKは、その比熱容量で冷却剤および熱伝導体として機能する。比熱容量と密度がシステム設計に重要な役割を果たします。
先進的な原子炉である溶融塩炉では、FLiNaKが核分裂性物質のキャリア媒体として使用されます。
これらの原子炉では、高い融点と優れた熱伝導性 熱伝達能力より効率的で安全な核分裂を可能にする。
従来の水ベースの原子炉に比べ、運転温度が高いため熱効率が向上し、運転圧力が低いため水蒸気爆発のリスクが低くなるなど、いくつかの利点がある。
太陽熱発電所では、集熱器で吸収した太陽エネルギーを貯蔵・輸送するための熱媒体として溶融塩が使用される。
長期間にわたって熱を蓄えることができるため、直射日光が届かない場合でも発電を続けることができる。
これは、時間帯や天候に関係なく安定したエネルギー供給を保証することで、こうした施設の全体的な効率性と信頼性を大幅に向上させる。
溶融塩の調査における熱化学と熱物性の重要性
熱化学と熱力学は、溶融塩の研究において重要なツールであり、これらの材料の特性に関する包括的な洞察を提供する。
ギブスエネルギー エンタルピーエントロピー 熱容量は非常に重要なパラメータである。ギブズエネルギーは、系が仕事を行う熱力学的ポテンシャルを測定し、化学反応の方向と程度、および溶融塩の相平衡を決定する上で重要な役割を果たす。さらに、これらの塩の安定性にも影響し、その応用や用途を理解し最適化するための基礎となる。
溶融塩の熱物性も同様に重要である。
これらの特性には、熱容量熱伝導率熱伝導率などがある。
これらは、溶融塩反応器、熱交換器、貯蔵タンクなど、溶融塩を利用するシステムのモデリング、設計、運転において重要な役割を果たします。
溶融塩の密度は流動特性と熱分布に影響し、熱伝導率はこれらの系における熱伝達効率に大きく影響する。
熱伝達率は、溶融塩中の熱交換プロセスの効率にとって極めて重要な要素である。
溶融塩ベースの技術の研究開発においては、熱化学的・熱物理的特性の徹底的な調査が不可欠である。
この知識により、このようなシステムの性能と効率を向上させることが可能となり、原子力、太陽エネルギー、金属抽出、電気化学などの分野における広範な応用に適している。
STA、レーザーフラッシュ熱拡散率分析装置、ダイラトメーターは溶融塩分析のための強力なツールです。
さまざまな分析技術を組み合わせることで、溶融塩の熱化学的・熱物理的特性を詳細に調べることができる。
様々な主要分野への応用を最適化するためには、これらの材料について包括的な理解を深めることが極めて重要である。
同時熱分析（STA）
使用される技術のひとつに 同時熱分析(STA)である。 熱重量分析(TGA) および 示差走査熱量測定(DSC)を組み合わせることで、様々な物性を測定することができます。
STAでは質量損失, 融点相転移、熱容量熱安定性溶融塩の分析、熱容量、熱安定性、分解を行うことができる。 質量分析計質量分析計のような連成装置も使用できる。
例えば、STAは、いくつかの溶融塩の重要な成分である硝酸リチウムの熱分解を定義するために使用することができる。
レーザーフラッシュ分析（LFA）
もう一つの貴重な技術は レーザーフラッシュ分析(LFA)である。 熱 熱拡散率と 熱伝導率 熱拡散率と熱伝導率高温における様々な組成の溶融塩の熱拡散率と熱伝導率。
例えば、一般的に使用される溶融塩である塩化ナトリウムの熱拡散率は、LFAを用いて測定することができる。
ダイラトメトリー（DIL）
ダイラトメトリー（DIL）は、異なる温度における溶融塩の熱 膨張を測定するために使用されるもう一つの重要な技術である。
このデータは、温度が変化すると材料が膨張・収縮する溶融塩炉の設計に特に関連する。
溶融塩技術の研究開発において、これらの分析技術は、材料特性を特徴付け、異なる条件下での挙動を理解するために不可欠である。
この理解は、様々な産業・科学分野における溶融塩アプリケーションの最適化と更なる発展の鍵となる。
溶融塩のTG-DSC同時測定
蓄熱と熱伝達の重要性は、溶融塩が熱伝達流体として使用される太陽光発電所のような代替エネルギーの生産量の増加に伴い、著しく高まっている。 PCM（相変化材料）.
使用する塩の効率は、融解潜熱、熱容量、 密度、熱伝導率、体積膨張率などの材料特性に依存する。
そのため、溶融塩の効率を評価するには、さまざまな熱分析法が適している。
アプリケーションノート：同時熱分析（STA PT 1000）による溶融塩の安定性
本研究では、硝酸カルシウム四水和物-Ca(NO3)2.
4H2O-に関するTG-DSC測定の結果を示し、考察する。
この塩は、費用対効果に優れ、高効率であるため、蓄熱および熱伝達の材料として広く使用されている。
試料は、重量変化とDSC信号を同時にモニターするLinseisSTA PT 1000装置を用いて分析した。DSC信号から、相転移のエンタルピーと熱容量が求められる。
試料を密閉アルミるつぼ中で10K/分の加熱速度で180℃まで加熱し、3時間等温保持した。
その後、10K/分の加熱速度で600℃まで加熱した。
結果と考察
図1に測定結果を示す。 青い曲線は質量 損失を、赤い曲線はDSCシグナルを表している。
DSC 信号の最初のピークは試料の融解に対応する。 融解ピークの開始は46℃である。
試料が完全に融解した後、141℃でオンセットする第二の吸熱ピークが現れる。 TG シグナルは、この温度範囲で32％の重量減少を示し、硝酸カルシウム四水和物が脱水して固体の無水塩を形成したことを示している。
180℃の恒温保持中、試料はそれ以上変化せず、この温度が塩を乾燥させ無水塩を得るのに理想的であることを示している。
541℃まで再加熱すると、無水塩の融解に対応する吸熱ピークが観察された。 しかし、TG シグナルは重量減少を示し、融解時の塩の分解を示唆している。 したがって、溶融無水塩の融解エンタルピーと 熱容量は直接測定できない。
しかし、これは塩混合物のTG-DSC 測定をさらに進めることで達成できる。 硝酸カルシウムを硝酸リチウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムと異なるモル％で混合する必要がある。 混合物のDSC融解ピークから、 融解エンタルピーを求めることができる。 純硝酸カルシウムの融解エンタルピーは、硝酸カルシウムに対するモル比率を100%に外挿することで計算できる。
同じ手順で、溶融した無水硝酸カルシウムの熱容量を測定する。
結論
熱分析法は、溶融塩の材料特性を得るのに非常に適している。
TG-DSC同時分析により、固体と溶融の両状態における融解エンタルピーと 熱容量が得られる。
質量変化シグナルは、結晶水の蒸発や塩の分解などのプロセスを検出するために使用できる。
レーザーフラッシュ法による溶融塩の熱伝導率測定
液体塩の熱 伝導率を決定し最適化することは、溶融塩炉または液体塩炉として知られる新世代の原子炉の開発において極めて重要なステップである。 この場合、溶融塩は蓄熱と炉心で発生した熱を伝達する媒体の両方の役割を果たす。
液体の熱 伝導率を測定するにはさまざまな方法があり、それぞれに利点と欠点があります。 測定中に対流や熱放射による熱損失が発生しないようにすることが重要です。対流や熱放射は大きな測定誤差を引き起こし、不正確な結果をもたらします。 対流は、例えば定置法では測定に必要な温度勾配の適用により発生し、これは一般的に非常に長い測定時間により悪化します。
溶融塩の熱伝導率を測定する最も有望な方法は、レーザー フラッシュ 法です。なぜなら、この方法は絶対測定を伴うため、標準物質による校正を必要としないからです。 さらに、必要な試料量が少なく、測定時間が短いため、対流の影響を最小限に抑えることができます。
しかし、レーザー フラッシュ 法は主に均質な固体材料用に設計されているため、特別な試料ホルダーの製作が必要となる。
図2は、製作された試料ホルダーの設計を示している。 ホルダーは、高温でも塩の腐食性に耐えられるグラファイト製である。 底部と上部は、ホルダーの中央部で試料の厚みが一定になるように取り付けられています。 また、高温で材料が膨張するため、側面に追加のスペースを設ける設計になっています。 さらに、上部には、材料から発生するガスを逃がすための穴が設けられている。 溶存ガスは気泡を形成し、材料の不均一性やホルダーとの接触不良を引き起こす可能性があるため、これは極めて重要である。
アプリケーションノート: LFA 1000を用いた溶融塩の熱拡散率測定
ここで紹介する溶融塩FLiNaKの熱 拡散率の測定は、Linseis LFA1000システムを用いて、773Kから973Kまでのヘリウム雰囲気中で行われました。 特別に設計されたるつぼは、最大3つのサンプルを同時に収容できるサンプルロボットに設置されました。 実際の試験に先立ち、試料を溶融 温度よりわずかに高い温度で数回予熱し、材料の脱ガスを可能にすることで、溶融塩中の気泡を回避した。
結果と考察
溶融塩の熱伝導率は、LFAによって測定された熱拡散率と比熱容量および密度のデータを用いて、以下の関係式を用いて計算することができます：
熱 拡散率と熱 伝導率の結果を下のグラフに示す。 どちらの特性も、温度によって比較的直線的に値が増加することがわかります。
要約すると、FLiNaK溶融塩の熱伝導率は、773Kから973Kの温度範囲において、±0.023W/m・Kの不確かさで0.652-0.927W/m・Kと決定された[1]。 これは、以前に発表された値と良い一致を示しています。
結果と考察
結論として、レーザーフラッシュ法は、特別に開発されたルツボとDuszaによる複合モデルと組み合わせることで、高温での溶融塩の熱拡散率を測定するための信頼性の高い方法であることが証明された*。
