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Die Anwendungen von Molten Salts
Salze in geschmolzenem Zustand, auch Molten Salts genannt, sind bei hohen Temperaturen über 300 °C stabil und zeigen bemerkenswerte thermische Eigenschaften. Diese Eigenschaften sind entscheidend für Anwendungen, die eine effiziente Wärmeübertragung erfordern, wie in Kernspaltungsreaktoren und Solarkraftwerken.
Insbesondere das FLiNaK-Schmelzsalz, eine eutektische Mischung aus Lithiumfluorid (LiF), Natriumfluorid (NaF) und Kaliumfluorid (KF), ein vielversprechendes Material für die Konstruktion eines Reaktors, zeichnet sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit aus.
In diesen Kontexten fungiert FLiNaK als Kühlmittel und Wärmeträger, wobei seine spezifische Wärmekapazität und Dichte entscheidend für die Systemauslegung sind.
In Molten Salts-Reaktoren, einer fortschrittlichen Art von Kernreaktoren, wird FLiNaK als Trägermedium für spaltbares Material eingesetzt. Diese Reaktoren nutzen die hohen Schmelzpunkte und die hervorragende Wärmeübertragungsfähigkeit von Molten Salts, um eine effizientere und sicherere Kernspaltung zu ermöglichen.
Sie bieten im Vergleich zu konventionellen wasserbasierten Reaktoren mehrere Vorteile, wie höhere Betriebstemperaturen, die eine verbesserte thermische Effizienz ermöglichen, und geringere Betriebsdrücke, was das Risiko von Dampfexplosionen reduziert.
In thermischen Solarkraftwerken werden Molten Salts als Wärmeübertragungsmedium eingesetzt, um die von Solarkollektoren aufgenommene Sonnenenergie zu speichern und zu transportieren. Ihre Fähigkeit, Wärme über längere Zeiträume zu speichern, ermöglicht eine kontinuierliche Stromerzeugung, selbst wenn keine direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist.
Dies verbessert die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit solcher Anlagen erheblich, indem es eine gleichmäßige Energieversorgung unabhängig von Tageszeit oder Wetterbedingungen sicherstellt.
Die Bedeutung der Thermochemie und der thermophysikalischen Eigenschaften für die Untersuchung von Molten Salts
Die Thermochemie und die Thermodynamik sind entscheidende Werkzeuge in der Erforschung von Molten Salts, da sie umfassende Einblicke in die Eigenschaften dieser Materialien bieten.
Die Gibbs-Energie, die Enthalpie, die Entropie und die Wärmekapazität sind Parameter, die von großer Bedeutung sind. Die Gibbs-Energie ist ein Maß für das thermodynamische Potenzial eines Systems, Arbeit zu verrichten, und spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Richtung und des Ausmaßes chemischer Reaktionen sowie der Phasengleichgewichte von Molten Salts. Darüber hinaus beeinflusst sie die Stabilität dieser Salze, was wiederum von grundlegender Bedeutung ist, um ihre Anwendungen und Verwendungen zu verstehen und zu optimieren.
Die thermophysikalischen Eigenschaften von Molten Salts sind gleichermaßen von hoher Relevanz. Diese Eigenschaften umfassen die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeübergangskoeffizienten. Sie spielen eine essenzielle Rolle bei der Modellierung, dem Design und dem Betrieb von Systemen, die Molten Salts einsetzen, wie beispielsweise Molten Salts-Reaktoren, Wärmetauschern und Lagertanks.
Die Dichte von Molten Salts beeinflusst die Strömungseigenschaften und die Verteilung von Wärme, während die Wärmeleitfähigkeit die Effizienz der Wärmeübertragung in diesen Systemen maßgeblich beeinflusst. Der Wärmeübergangskoeffizient ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz von Wärmetauschprozessen in Molten Salts.
In der Forschung und Entwicklung von Molten Salts-basierten Technologien ist daher eine gründliche Untersuchung der thermochemischen und thermophysikalischen Eigenschaften unerlässlich. Dieses Wissen ermöglicht es, die Leistung und Effizienz solcher Systeme zu verbessern und sie für eine breite Palette von Anwendungen in Bereichen wie der Kernenergie, Solarenergie, Metallgewinnung und Elektrochemie zu nutzen.
STA, Laser Flash Thermal Diffusivity Analyzer und Dilatometer sind leistungsstarke Werkzeuge für die Untersuchung von Molten Salts
Die Kombination verschiedener analytischer Techniken ermöglicht eine tiefgehende Untersuchung der thermochemischen und thermophysikalischen Eigenschaften von Molten Salts.
Die Entwicklung eines umfassenden Verständnisses für diese Materialien ist von entscheidender Bedeutung, um ihre Anwendungen in verschiedenen Schlüsselbereichen zu optimieren.
Simultane Thermische Analyse (STA)
Eine der verwendeten Techniken ist die Simultane Thermische Analyse (STA), eine Kombination aus Thermogravimetrischer Analyse (TGA) und Dynamischer Differenz-Kalorimetrie (DSC), die es erlaubt, eine Vielzahl von Eigenschaften zu bestimmen.
Mit einer STA können der Masseverlust, Schmelzpunkt, Phasenübergänge, die Wärmekapazität, die thermische Stabilität und die Zersetzung von Molten Salts analysiert sowie mit gekoppelten Instrumenten, wie z.B. einem Massenspektrometer, auch entstehende Gase untersucht werden.
Zum Beispiel kann eine STA verwendet werden, um die thermische Zersetzung von Lithiumnitrat zu definieren, das ein wichtiger Bestandteil einiger Molten Salts ist.
Laser-Flash-Analyse (LFA)
Eine weitere wertvolle Technik ist die Laser-Flash-Analyse (LFA), die die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Molten Salts verschiedener Zusammensetzungen bei hohen Temperaturen messen kann.
Zum Beispiel kann die Temperaturleitfähigkeit von Natriumchlorid, einem häufig verwendeten Molten Salts, mithilfe einer LFA gemessen werden.
Dilatometrie (DIL)
Die Dilatometrie (DIL) ist eine weitere wichtige Technik, die verwendet wird, um die Wärmeausdehnung von Molten Salts bei unterschiedlichen Temperaturen zu erfassen.
Diese Daten sind besonders relevant für die Konstruktion von Molten Salts-Reaktoren, in denen sich Materialien unter variablen Temperaturen ausdehnen und zusammenziehen.
In der Forschung und Entwicklung von Molten Salts-Technologien sind diese analytischen Techniken unerlässlich, um die Materialeigenschaften zu charakterisieren und deren Verhalten unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.
Dieses Verständnis ist der Schlüssel zur Optimierung und Weiterentwicklung von Molten Salts-Anwendungen in verschiedenen industriellen und wissenschaftlichen Bereichen.
Gleichzeitige TG-DSC-Messungen an Molten Salts
Die Bedeutung von Wärmespeicherung und Wärmeübertragung nimmt im Zusammenhang mit der zunehmenden Produktion alternativer Energiequellen stark zu, z. B. in Solarkraftwerken, in denen Molten Salts als Wärmeübertragungsflüssigkeiten und PCM (Phasenwechselmaterialien) verwendet werden.
Die Effizienz der verwendeten Salze hängt von Materialeigenschaften wie der Schmelzwärme, der Wärmekapazität, der Dichte, der thermischen Leitfähigkeit, der Volumenausdehnung etc. ab.
Daher sind verschiedene Methoden der thermischen Analyse geeignet, um die Effizienz von geschmolzenen Salzen zu charakterisieren.
Anwendungsnotiz: Stabilität von Molten Salts mittels Simultaner Thermischer Analyse (STA PT 1000)
In dieser Studie werden Ergebnisse von TG-DSC-Messungen an Calciumnitrat-Tetrahydrat – Ca(NO3)2 . 4H2O – präsentiert und diskutiert. Dieses Salz wird bereits weit verbreitet als Material zur Wärmespeicherung und Wärmeübertragung eingesetzt, da es kostengünstig und äußerst effektiv ist.
Die Probe wurde mit einem Linseis STA PT 1000 Instrument untersucht, das gleichzeitig die Gewichtsveränderung und das DSC-Signal überwacht. Aus dem DSC-Signal können die Enthalpie der Phasenübergänge und die Wärmekapazität ermittelt werden.
Die Probe wurde in einem geschlossenen Aluminiumtiegel bis auf 180 °C mit einer Heizrate von 10 K/min erwärmt und für 3 Stunden isotherm gehalten. Danach wurde sie auf 600 °C mit einer Heizrate von 10 K/min erhitzt.
Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse der Messung. Die blaue Kurve zeigt den Massenverlust und die rote Kurve das DSC-Signal.
Der erste Peak im DSC-Signal entsteht durch das Schmelzen der Probe. Der Beginn des Schmelzpeak liegt bei 46 °C.
Nach dem vollständigen Schmelzen der Probe entsteht ein zweiter endothermer Peak mit einem Onset bei 141 °C. Das TG-Signal zeigt einen Gewichtsverlust von 32 % in diesem Temperaturbereich. Dabei wird das Kristallwasser des Calciumnitrat-Tetrahydrats abgespalten und es bildet sich festes wasserfreies Salz.
Während der isothermen Haltezeit bei 180 °C unterliegt die Probe keinen weiteren Veränderungen, was bedeutet, dass diese Temperatur ideal ist, um das Salz zu trocknen und das wasserfreie Salz zu erhalten.
Bei erneuter Erhitzung auf 541 °C entsteht ein endothermer Peak. Das wasserfreie Salz schmilzt. Allerdings zeigt das TG-Signal einen Gewichtsverlust. Dies deutet darauf hin, dass das Salz beim Schmelzen zerfällt. Daher können die Schmelzenthalpie und die Wärmekapazität des geschmolzenen wasserfreien Salzes nicht direkt gemessen werden.
Dies kann jedoch durch weitere TG-DSC-Messungen von Salzmischungen erreicht werden. Das Calciumnitrat muss mit Lithium-, Natrium- oder Kaliumnitrat in unterschiedlichen Molprozenten gemischt werden. Aus den DSC-Schmelzpeaks der Mischungen können die Schmelzenthalpien ermittelt werden. Die Schmelzenthalpie des reinen Calciumnitrats kann dann einfach durch Extrapolation auf einen Molprozentsatz von 100 % bezogen auf das Calciumnitrat berechnet werden.
Das gleiche Verfahren wird verwendet, um die Wärmekapazität des geschmolzenen wasserfreien Calciumnitrats zu messen.
Fazit
Thermoanalytische Methoden eignen sich sehr gut, um Materialeigenschaften von Molten Salts zu erhalten.
Die simultane TG-DSC-Analyse liefert die Schmelzwärme und die Wärmekapazität im festen und geschmolzenen Zustand.
Die Massenänderungssignale können verwendet werden, um beispielsweise die Verdampfung von Kristallwasser und die Zersetzung des Salzes zu erkennen.
Wärmeleitfähigkeitsmessungen an Molten Salts mit der Laser Flash Technik
Die Bestimmung und Optimierung der Wärmeleitfähigkeit von Flüssigsalzen ist eine wichtiger Baustein bei der Entwicklung einer neuen Generation von Kernreaktoren, den so genannten Flüssigsalzreaktor oder Molten Salt-Reaktor, konzipieren zu können. Hier dienen die Molten Salts sowohl als Wärmespeicher als auch als Medium zur Übertragung der im Reaktorkern erzeugten Wärme.
Es gibt verschiedene Methoden, um die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigkeiten zu bestimmen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Zu vermeiden ist das Erzeugen von Wärmeverlusten durch Konvektion und Wärmestrahlung während der Messung, da diese erhebliche Messfehler einbringen und somit fehlerhafte Ergebnisse erzeugen. Konvektion tritt z. B. bei stationären Methoden auf, durch die Anwendung von, für die Messung benötigten, Temperaturgradienten auf, welche sich durch die typischerweise sehr langen Messzeiten verstärkt.
Die vielversprechendste Methode für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit an Molten Salts ist das Laser Flash-Verfahren, da es sich um eine absolute Messung handelt und somit keine Kalibrierung mit einem Referenzmaterial erforderlich ist. Darüber hinaus werden aufgrund der geringen benötigten Probenmenge und der kurzen Messzeiten Konvektionseffekte minimiert.
Da das Laser-Flash-Verfahren jedoch in erster Linie für homogene und feste Materialien konzipiert ist, ist die Konstruktion einer speziellen Probenaufnahme erforderlich.
Abbildung 2 zeigt das Schema des konstruierten Probentiegels. Der Tiegel ist aus Graphit gefertigt, da er den korrosiven Eigenschaften des Salzes auch bei höheren Temperaturen standhalten kann. Der Boden und der Deckel sind so befestigt, dass die Probendicke im mittleren Teil des Tiegels auf einen bestimmten Abstand definiert ist. Die Konstruktion bietet auch an den Seiten zusätzlichen Raum, so dass sich das Material bei höheren Temperaturen ausdehnen kann. Der Deckel ist zudem mit Löchern versehen, damit entstehende Gase des Materials entweichen können. Letzteres ist ein wesentlicher Punkt, da gelöste Gase Blasen bilden können, die zu Inhomogenitäten im Material oder zu einem schlechten Kontakt mit dem Tiegel führen.
Anwendungsnotiz: Temperaturleitfähigkeitsmessung an Molten Salts mittels LFA 1000
Die hier vorgestellte Messung der Temperaturleitfähigkeit des Molten Salts FLiNaK wurde in einer Heliumatmosphäre von 773 K bis 973 K mit einem Linseis LFA1000-System durchgeführt. Dabei wurde der speziell konstruierte Tiegel in einen Probenroboter eingesetzt, der bis zu drei Proben gleichzeitig aufnehmen kann. Vor der eigentlichen Prüfung wurde die Probe mehrmals leicht über die Schmelztemperatur vorgeheizt, um eine Entgasung des Materials zu ermöglichen und so Blasen in der Salzschmelze zu vermeiden.
Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse für Temperaturleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit sind in der nachstehenden Grafik dargestellt. Beide Eigenschaften zeigen einen recht linearen Anstieg der Werte mit der Temperatur.
Zusammenfassend wurde die Wärmeleitfähigkeit im Temperaturbereich von 773 K bis 973 K von FLiNaK-Flüssigsalz zu 0,652-0,927 W/m∙K mit einer Unsicherheit von +/- 0,023 W/m∙K be-stimmt [1]. Dies weist eine gute Übereinstimmung mit den bisher publizierten Werten auf.
Ergebnisse und Diskussion
Abschließend lässt sich sagen, dass die Laser Flash-Technik in Kombination mit dem speziell entwickelten Tiegel und dem kombinierten Modell von Dusza eine zuverlässige Me-thode zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Molten Salts bei hohen Temperaturen ist.*
