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Aplicaciones de las sales fundidas
Las sales fundidas son estables a altas temperaturas superiores a 300 °C y presentan propiedades térmicas notables.
Estas propiedades son cruciales para las aplicaciones que requieren una transferencia de calor eficaz, como en los reactores de fisión nuclear y las centrales solares.
En concreto, la sal fundida FLiNaK, una mezcla eutéctica de fluoruro de litio (LiF), fluoruro de sodio (NaF) y fluoruro de potasio (KF), es un material prometedor para la construcción de reactores, que se distingue por su elevada conductividad térmica.
En estos contextos, el FLiNaK sirve como refrigerante y portador de calor, con su capacidad calorífica específica y densidad son cruciales para el diseño del sistema.
En los reactores de sales fundidas, un tipo avanzado de reactores nucleares, el FLiNaK se utiliza como medio portador de material fisible.
Estos reactores utilizan los altos puntos de fusión y la excelente capacidad de transferencia de calor de las sales fundidas para permitir una fisión nuclear más eficaz y segura.
Ofrecen varias ventajas en comparación con los reactores convencionales basados en agua, como temperaturas de funcionamiento más elevadas que permiten mejorar la eficacia térmica, y presiones de funcionamiento más bajas que reducen el riesgo de explosiones de vapor.
En las centrales termosolares, las sales fundidas se utilizan como medio de transferencia de calor para almacenar y transportar la energía solar absorbida por los colectores solares.
Su capacidad para almacenar calor durante periodos más largos permite la generación continua de energía incluso cuando no se dispone de luz solar directa.
Esto mejora significativamente la eficiencia y fiabilidad generales de dichas instalaciones, al garantizar un suministro de energía constante independientemente de la hora del día o de las condiciones meteorológicas.
La importancia de la termoquímica y las propiedades termofísicas para la investigación de las sales fundidas
La termoquímica y la termodinámica son herramientas cruciales en el estudio de las sales fundidas, ya que proporcionan una visión completa de las propiedades de estos materiales.
energía de Gibbs entalpíaentropía y capacidad calorífica son parámetros de gran importancia.
La energía de Gibbs mide el potencial termodinámico de un sistema para realizar trabajo y desempeña un papel clave en la determinación de la dirección y el alcance de las reacciones químicas, así como en los equilibrios de fase de las sales fundidas.
Además, influye en la estabilidad de estas sales, lo que es fundamental para comprender y optimizar sus aplicaciones y usos.
Las propiedades termofísicas de las sales fundidas son igualmente relevantes.
Estas propiedades incluyen la capacidad caloríficala conductividad térmicay el coeficiente de transferencia de calor.
Desempeñan un papel esencial en el modelado, diseño y funcionamiento de sistemas que utilizan sales fundidas, como reactores de sales fundidas, intercambiadores de calor y tanques de almacenamiento.
La densidad de las sales fundidas afecta a las propiedades de flujo y a la distribución del calor, mientras que la conductividad térmica influye significativamente en la eficacia de la transferencia de calor en estos sistemas.
El coeficiente de transferencia de calor es un factor crucial para la eficacia de los procesos de intercambio de calor en las sales fundidas.
En la investigación y el desarrollo de tecnologías basadas en sales fundidas, es esencial una investigación exhaustiva de las propiedades termoquímicas y termofísicas.
Este conocimiento permite mejorar el rendimiento y la eficacia de dichos sistemas, haciéndolos adecuados para una amplia gama de aplicaciones en ámbitos como la energía nuclear, la energía solar, la extracción de metales y la electroquímica.
STA, el Analizador de Difusividad Térmica por Flash Láser y el Dilatómetro son potentes herramientas para el análisis de sales fundidas
La combinación de distintas técnicas analíticas permite investigar en profundidad las propiedades termoquímicas y termofísicas de las sales fundidas.
Desarrollar un conocimiento exhaustivo de estos materiales es crucial para optimizar sus aplicaciones en diversas áreas clave.
Análisis Térmico Simultáneo (STA)
Una de las técnicas utilizadas es el Análisis Térmico Simultáneo (STA)una combinación de Análisis Termogravimétrico (TGA) y Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)que permite determinar diversas propiedades.
Con STA, la pérdida de masa, punto de fusión, las transiciones de fase, la capacidad caloríficaestabilidad térmicay la descomposición de las sales fundidas, e instrumentos acoplados como un espectrómetro de masas para examinar los gases resultantes.
Por ejemplo, STA puede utilizarse para definir la descomposición térmica del nitrato de litio, un componente importante de algunas sales fundidas.
Análisis de Flash Láser (LFA)
Otra técnica valiosa es el Análisis del destello láser (AFL)que puede medir la térmica difusividad y conductividad térmica conductividad de sales fundidas de diversas composiciones a altas temperaturas.
Por ejemplo, la difusividad térmica del cloruro sódico, una sal fundida de uso común, puede medirse utilizando un ALF.
Dilatometría (DIL)
La dilatometría (DIL) es otra técnica importante utilizada para medir la dilatación térmica de las sales fundidas a diferentes temperaturas.
Estos datos son especialmente relevantes para el diseño de reactores de sales fundidas, en los que los materiales se dilatan y contraen al variar la temperatura.
En la investigación y el desarrollo de tecnologías de Sales Fundidas, estas técnicas analíticas son esenciales para caracterizar las propiedades del material y comprender su comportamiento en diferentes condiciones.
Esta comprensión es clave para optimizar y seguir desarrollando las aplicaciones de las sales fundidas en diversos campos industriales y científicos.
Medidas simultáneas TG-DSC en sales fundidas
La importancia del almacenamiento y la transferencia de calor está aumentando significativamente en el contexto de la creciente producción de fuentes de energía alternativas, como en las centrales solares, donde se utilizan sales fundidas como fluidos de transferencia de calor y PCM (Materiales de Cambio de Fase).
La eficacia de las sales utilizadas depende de las propiedades del material, como el calor latente de fusión, la capacidad calorífica, la densidad, la conductividad térmica, la expansión volumétrica, etc.
Por ello, para caracterizar la eficacia de las sales fundidas son adecuados diversos métodos de análisis térmico.
Nota de aplicación: Estabilidad de sales fundidas mediante análisis térmico simultáneo (STA PT 1000)
En este estudio, se discuten los resultados de las mediciones TG-DSC del tetrahidrato de nitrato de calcio – Ca(NO3)2.
4H2O-.
Esta sal se utiliza ampliamente como material para el almacenamiento y la transferencia de calor debido a su rentabilidad y alta eficiencia.
La muestra se analizó con un instrumento Linseis STA PT 1000, que controla simultáneamente el cambio de peso y la señal DSC.
A partir de la señal DSC, se puede determinar la entalpía de las transiciones de fase y la capacidad calorífica.
La muestra se calentó en un crisol de aluminio cerrado hasta 180°C a una velocidad de calentamiento de 10 K/min y se mantuvo isotérmicamente durante 3 horas.
Posteriormente, se calentó hasta 600°C a una velocidad de calentamiento de 10 K/min.
Resultados y discusión
La figura 1 muestra los resultados de la medición. La curva azul representa la pérdida de masa, y la curva roja representa la señal DSC.
El primer pico de la señal DSC corresponde a la fusión de la muestra. El inicio del pico de fusión se sitúa a 46°C.
Tras la fusión completa de la muestra, surge un segundo pico endotérmico con un inicio a 141°C. La señal TG muestra una pérdida de peso del 32% en este intervalo de temperatura, lo que indica la deshidratación del nitrato cálcico tetrahidratado para formar la sal sólida anhidra.
Durante el mantenimiento isotérmico a 180°C, la muestra no sufre más cambios, lo que indica que esta temperatura es ideal para secar la sal y obtener la sal anhidra.
Al recalentarla a 541°C, se observa un pico endotérmico, correspondiente a la fusión de la sal anhidra. Sin embargo, la señal TG muestra una pérdida de peso, lo que sugiere la descomposición de la sal al fundirse. Por lo tanto, la entalpía de fusión y la capacidad calorífica de la sal anhidra fundida no pueden medirse directamente.
Sin embargo, esto puede conseguirse mediante nuevas mediciones TG-DSC de mezclas de sales. Hay que mezclar nitrato de calcio con nitrato de litio, sodio o potasio en diferentes porcentajes molares. A partir de los picos de fusión DSC de las mezclas, se pueden determinar las entalpías de fusión. A continuación, se puede calcular la entalpía de fusión del nitrato de calcio puro extrapolando a un porcentaje molar del 100% respecto al nitrato de calcio.
Se emplea el mismo procedimiento para medir la capacidad calorífica del nitrato cálcico anhidro fundido.
Conclusión
Los métodos termoanalíticos son muy adecuados para obtener las propiedades materiales de las sales fundidas.
El análisis TG-DSC simultáneo proporciona la entalpía de fusión y la capacidad calorífica en estado sólido y fundido.
Las señales de cambio de masa pueden utilizarse para detectar procesos como la evaporación del agua cristalina y la descomposición de la sal.
Medidas de conductividad térmica en sales fundidas mediante la técnica de Flash Láser
Determinar y optimizar la conductividad térmica de las sales líquidas es un paso crucial en el desarrollo de una nueva generación de reactores nucleares, conocidos como reactores de sales fundidas o reactores de sales líquidas. En ellos, las sales fundidas sirven tanto de almacenamiento de calor como de medio para transferir el calor generado en el núcleo del reactor.
Existen varios métodos para determinar la conductividad térmica de los líquidos, cada uno con sus ventajas e inconvenientes. Es importante evitar que se produzcan pérdidas de calor por convección y radiación térmica durante la medición, ya que pueden introducir errores de medición importantes y, por tanto, producir resultados inexactos. La convección se produce, por ejemplo, en los métodos estacionarios debido a la aplicación de gradientes de temperatura necesarios para la medición, lo que se ve agravado por los tiempos de medición, normalmente muy largos.
El método más prometedor para determinar la conductividad térmica en sales fundidas es el método de flash láser, porque implica una medición absoluta y, por tanto, no requiere calibración con un material de referencia. Además, los efectos de convección se minimizan debido a la escasa cantidad de muestra necesaria y a los breves tiempos de medición.
Sin embargo, como el método del destello láser está diseñado principalmente para materiales homogéneos y sólidos, es necesario construir un portamuestras especial.
La figura 2 ilustra el diseño del portamuestras construido. El soporte está hecho de grafito, ya que puede soportar las propiedades corrosivas de la sal incluso a temperaturas más altas. La parte inferior y la superior están unidas de forma que se define el grosor de la muestra en la parte central del portamuestras a una distancia determinada. El diseño también proporciona espacio adicional en los laterales para que el material se expanda a temperaturas más altas. Además, la parte superior está provista de orificios para permitir la salida de los gases generados por el material. Esto es crucial, ya que los gases disueltos pueden formar burbujas que provoquen inhomogeneidades en el material o un contacto deficiente con el soporte.
Nota de aplicación: Medición de la difusividad térmica en sales fundidas con el LFA 1000
La medición de la difusividad térmica de la sal fundida FLiNaK que aquí se presenta se realizó en una atmósfera de helio de 773 K a 973 K utilizando un sistema Linseis LFA1000. El crisol especialmente diseñado se colocó en un robot de muestras capaz de alojar hasta tres muestras simultáneamente. Antes de la prueba propiamente dicha, la muestra se precalentó varias veces ligeramente por encima de la temperatura de fusión para permitir la desgasificación del material y evitar así la formación de burbujas en la sal fundida.
Resultados y discusión
La conductividad térmica de la sal fundida puede calcularse con ayuda de la difusividad térmica medida por el LFA y los datos sobre la capacidad calorífica específica y la densidad, mediante la siguiente relación:
Los resultados de la difusividad térmica y la conductividad térmica se representan en el gráfico siguiente. Ambas propiedades muestran un aumento relativamente lineal de sus valores con la temperatura.
En resumen, se determinó que la conductividad térmica de la sal fundida FLiNaK era de 0,652-0,927 W/m∙K con una incertidumbre de +/- 0,023 W/m∙K en el intervalo de temperaturas de 773 K a 973 K [1]. Esto muestra una buena concordancia con los valores publicados anteriormente.
Resultados y discusión
En conclusión, la técnica del destello láser, combinada con el crisol especialmente desarrollado y el modelo combinado de Dusza, demuestra ser un método fiable para determinar la difusividad térmica de las sales fundidas a altas temperaturas.*
