Модернизация конструкции измерительной ячейки для определения температуропроводности расплавов солей методом лазерной вспышки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В данной работе выполнена модернизация известной ячейки для измерения температуропроводности расплавов фторидных солей методом лазерной вспышки. Расплавы галогенидов щелочных металлов, в том числе эвтектическая смесь FLiNaK (46.5 мол. % LiF – 11.5 мол. % NaF – 42 мол. % KF), рассматриваются как перспективные материалы для использования в ядерной энергетике, в частности в жидкосолевых реакторах (ЖСР), где они выступают в роли теплоносителей и среды для деления актинидов. Это делает исследование их теплофизических свойств крайне важным для проектирования активных зон реакторов и систем теплопередачи. Однако, как показывают данные из литературы, измерения температуропроводности расплава FLiNaK сопровождаются значительными расхождениями, связанными с влиянием неучтенных факторов теплопереноса и погрешностями экспериментальных методик. Метод лазерной вспышки, благодаря возможности учитывать конвективный и радиационный теплопереносы, является одним из наиболее предпочтительных для исследования температуропроводности расплавов солей при высоких температурах. Однако данный метод с использованием известной ячейки приводит к завышенным значениям температуропроводности вследствие рассеянного теплового потока. С целью модернизации данной ячейки в расчетной среде COMSOL Multiphysics была построена численная модель, позволившая изучить влияние материалов (Ni, BN, Au) и геометрии ячейки на процессы теплопереноса. Анализ данных позволил получить оптимизированную конструкцию ячейки, что минимизировало долю рассеянного теплового потока, сократило время достижения температурного пика, исключило необходимость калибровочных измерений и расширило температурный диапазон измерений. Экспериментальная проверка модернизированной ячейки проводилась с использованием оборудования Netzsch LFA 467 HT HyperFlash. Полученные данные подтвердили возможность более точного измерения температуропроводности FLiNaK в диапазоне температур 550–800°С. В частности, использование модернизированной ячейки улучшает воспроизводимость результатов и снижает разброс данных, уменьшая погрешность измерения с 33,8 до 2,6%. Это значительно расширяет перспективы дальнейших исследований высокотемпературных расплавов, что способствует разработке технологий ЖСР нового поколения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. В. Чернышев

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: chernishov@ihte.ru
Россия, Екатеринбург

А. В. Хрустов

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН

Email: chernishov@ihte.ru
Россия, Екатеринбург

А. В. Руденко

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН

Email: chernishov@ihte.ru
Россия, Екатеринбург

М. И. Власов

Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН

Email: chernishov@ihte.ru
Екатеринбург

Список литературы

  1. Ignatiev V.V. Molten Salt Reactors // Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. 2020. P. 2–16.
  2. Dr. Charles, W. Forsberg. Molten Salt Reactors (MSRs) // The Americas Nuclear Energy Symposium (ANES 2002), American Nuclear Society. 2002. P. 16–18.
  3. Mignacca B., Locatelli G. Economics and finance of Molten Salt Reactors // Progress in Nuclear Energy. 2020. № 129.
  4. J. Serp. The molten salt reactor (MSR) in generation IV: overview and perspectives // Progress in Nuclear Energy. 2014. № 77. P. 308–319.
  5. Holcomb D.E., Cetiner S.M. An overview of liquid-fluoride-salt heat transport systems // U.S. Department of energy. 2010. P. 156.
  6. Ambrosek J., Anderson M., Sridharan K., Current status of knowledge of the fluoride salt (FLiNaK) heat transfer // Nucl. Technol. 2009. 165. № 2. P. 166–173.
  7. Khokhlov V., Ignatiev V., Afonichkin V. Evaluating physical properties of molten salt reactor fuoride mixtures // Journal of Fluorine Chemistry. 2009. № 130. P. 30–37.
  8. McMurray J.W., et al. Roadmap For Thermal Property Measurements of Molten Salt Reactor systems // Oak Ridge National Lab. (ORNL), Oak Ridge, TN (United States). 2021. № 1865. P. 4–22.
  9. Williams D.F., Toth L. M., Clarno K. T. Assessment of Candidate Molten Salt Coolants For the Advanced High-Temperature Reactor (AHTR) // Oak Ridge National Laboratory. 2006. № 12.
  10. Magnusson J.M., Memmott M., Munro T. Review of thermophysical property methods applied to fueled and un-fueled molten salts // Annals of Nuclear Energy. 2020. № 146.
  11. Chliatzou C.D., Assael M.J., Antoniadis K.D., Huber M.L., Wakeham W.A. Reference Correlations for the Thermal Conductivity of 13 Inorganic Molten Salts. // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 2018. 47. № 3.
  12. Santini R., Tadrist L., Pantaloni J., Cerisier P. Measurement of thermal conductivity of molten salts in the range 100–500 C, Int. J. // Heat Mass Transfer. 1984. 27. № 4. P. 623–626.
  13. Cooke J.W. Development of the variable-gap technique for measuring the thermal conductivity of fluoride salt mixtures // U.S. Atomic energy commission. 1973. № W-7405-eng 26.
  14. Ryan C. Gallagher, Anthony Birri, Nick Russell, N. Dianne B. Ezell. Design and performance of a variable gap system for thermal conductivity measurements of high temperature, corrosive, and reactive fluids // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2022. № 192.
  15. Smirnov M.V., Khokhlov V.A., Filatov E.S. Thermal conductivity of molten alkali halides and their mixtures // Electrochimica Acta. 1987. 32. P. 1019–1026.
  16. Khokhlov V., Korzun I., Dokutovich V., Filatov E. Heat capacity and thermal conductivity of molten ternary lithium, sodium, potassium, and zirconium fluorides mixtures. // Journal of Nuclear Materials. 2011. 1–3. № 410. P. 32–38.
  17. Rudenko A., Redkin A., Il’ina E., Pershina S., Mushnikov P., Zaikov Y., Kumkov S., Liu Y., Shi W. Thermal Conductivity of FLiNaK in a Molten State. // Materials. 2022. 15. № 5603. P. 2–14.
  18. Cheng J.-H., Zhang P., An X.-H., Wang K., Zuo Y., Yan H.-W., Li, Z. A Device for Measuring the Density and Liquidus Temperature of Molten Fluorides for Heat Transfer and Storage // Chinese Physics Letters. 2013. 30. № 12. P. 126–501.
  19. An X.-H., Cheng J.-H., Yin H.-Q., Xie L.-D., Zhang P. Thermal conductivity of high temperature fluoride molten salt determined by laser flash technique. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. № 90. P. 872–877.
  20. Coulson J.M., Richardson J.F. Chemical Engineering // Pergamon Press. 1990. 1.
  21. Bejan A. Heat Transfer, Wiley // Evolution, Design and Performance. 1993. P. 611.
  22. Kato Y., Furukawa K., Araki N., Kobayasi K. Thermal diffusivity measurement of molten salts by use of a simple ceramic cell. // In Proceedings of the 8th European Thermophysical Properties Conference. 1982. 15.
  23. Robertson S., Wiser R., Yang W., Kang D., Choi S., Baglietto E., Short, M. The curious temperature dependence of fluoride molten salt thermal conductivity. // J. Appl. Phys. 2022. № 131.
  24. Ryan C. Gallagher, Anthony Birri, Nick G. Russell, Anh-Thu Phan, Aïmen E. Gheribi. Investigation of the thermal conductivity of molten LiF-NaF-KF with experiments, theory, and equilibrium molecular dynamics // Journal of Molecular Liquids. 2022. № 361.
  25. A. Cape, G.W. Lehman. Temperature and finite pulse-time effects in the flash method for measuring thermal diffusivity // J. Appl. Phys. 1963. 34 (7). 1909–1914.
  26. L. Dusza. Combined solution of the simultaneous heat loss and finite pulse corrections with the laser flash method // High Temp.-High Press. 1995–1996. 27/28. 467–473.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Изображение измерительной ячейки: 1 – тигель, 2 – крышка, 3 – образец, 4 – пространство над образцом, заполненное аргоном, 5 – нижняя грань, 6 – область детектирования сигнала.

Скачать (86KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнение модельных T = T (t) и экспериментальных U = U (t) данных температурной кривой времени в области детектирования в случае, когда образец – вода.

Скачать (107KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Нормированные температурные кривые в области детектирования для ячейки А [17], выполненной из Ni, BN и Au (a) и для ячеек А и Б, выполненных из Ni (b). В обоих случаях образцом служит расплав FLiNaK при 550°С.

Скачать (196KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение показаний ИК-датчика от времени U = U (t) при измерении температуропроводности расплава соли FLiNaK при 550°С (a) и 800°С (b) для ячеек A и Б.

Скачать (163KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение данных измерений температуропроводности расплава соли FLiNaK методом лазерной вспышки, полученных с использованием ячеек A и Б, а также литературных данных. Для ячейки A учтен калибровочный коэффициент 1,8.

Скачать (322KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025