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Applications des sels fondus
Les sels fondus sont stables à des températures supérieures à 300 °C et présentent des propriétés thermiques remarquables.
Ces propriétés sont cruciales pour les applications qui nécessitent un transfert de chaleur efficace, comme dans les réacteurs à fission nucléaire et les centrales solaires.
En particulier, le sel fondu FLiNaK, un mélange eutectique de fluorure de lithium (LiF), de fluorure de sodium (NaF) et de fluorure de potassium (KF), est un matériau prometteur pour la construction de réacteurs, qui se distingue par sa conductivité thermique élevée.
Dans ces contextes, FLiNaK sert de réfrigérant et de transporteur de chaleur, avec sa capacité thermique spécifique et sa densité sont cruciales pour la conception du système.
Dans les réacteurs à sels fondus, un type avancé de réacteurs nucléaires, FLiNaK est utilisé comme support pour les matières fissiles.
Ces réacteurs utilisent les points de fusion élevés et l’excellente capacité de transfert de chaleur du capacité de transfert de chaleur des sels fondus pour permettre une fission nucléaire plus efficace et plus sûre.
Ils offrent plusieurs avantages par rapport aux réacteurs conventionnels à eau, tels que des températures de fonctionnement plus élevées permettant une meilleure efficacité thermique, et des pressions de fonctionnement plus faibles réduisant le risque d’explosion de vapeur.
Dans les centrales solaires thermiques, les sels fondus sont utilisés comme moyen de transfert de chaleur pour stocker et transporter l’énergie solaire absorbée par les collecteurs solaires.
Leur capacité à stocker la chaleur sur de longues périodes permet de produire de l’électricité en continu, même lorsque la lumière directe du soleil n’est pas disponible.
Cela améliore considérablement l’efficacité et la fiabilité globales de ces installations en garantissant un approvisionnement en énergie constant, quelle que soit l’heure de la journée ou les conditions météorologiques.
L'importance de la thermochimie et des propriétés thermophysiques pour l'étude des sels fondus
La thermochimie et la thermodynamique sont des outils essentiels dans l’étude des sels fondus, car elles fournissent des informations complètes sur les propriétés de ces matériaux.
Énergie de Gibbs, enthalpie et la capacité thermique sont des paramètres d’une grande importance.
L’énergie de Gibbs mesure le potentiel thermodynamique d’un système à effectuer un travail et joue un rôle clé dans la détermination de la direction et de l’étendue des réactions chimiques ainsi que des équilibres de phase des sels fondus.
En outre, elle influence la stabilité de ces sels, ce qui est fondamental pour comprendre et optimiser leurs applications et leurs utilisations.
Les propriétés thermophysiques des sels fondus sont tout aussi importantes.
Ces propriétés comprennent la conductivité thermique et le coefficient de transfert thermique.
Elles jouent un rôle essentiel dans la modélisation, la conception et l’exploitation des systèmes utilisant des sels fondus, tels que les réacteurs à sels fondus, les échangeurs de chaleur et les réservoirs de stockage.
La densité des sels fondus affecte les propriétés d’écoulement et la distribution de la chaleur, tandis que la conductivité thermique influence considérablement l’efficacité du transfert de chaleur dans ces systèmes.
Le coefficient de transfert thermique est un facteur crucial pour l’efficacité des processus d’échange de chaleur dans les sels fondus.
Dans le cadre de la recherche et du développement de technologies basées sur les sels fondus, une étude approfondie des propriétés thermochimiques et thermophysiques est essentielle.
Ces connaissances permettent d’améliorer les performances et l’efficacité de ces systèmes, ce qui les rend adaptés à un large éventail d’applications dans des domaines tels que l’énergie nucléaire, l’énergie solaire, l’extraction des métaux et l’électrochimie.
STA, Laser Flash Thermal Diffusivity Analyser et Dilatometer sont des outils puissants pour l'analyse des sels fondus.
La combinaison de différentes techniques analytiques permet une étude approfondie des propriétés thermochimiques et thermophysiques des sels fondus.
Il est essentiel d’acquérir une connaissance approfondie de ces matériaux pour optimiser leurs applications dans divers domaines clés.
Analyse thermique simultanée (STA)
L’une des techniques utilisées est l’analyse thermique simultanée (STA)une combinaison de l’analyse thermogravimétrique (ATG) et calorimétrie différentielle à balayage (DSC)qui permet de déterminer diverses propriétés.
Avec STA, la perte de masse, point de fusion, la capacité thermique, stabilité thermique et la décomposition des sels fondus peuvent être analysées, et des instruments couplés tels qu’un spectromètre de masse peuvent également être utilisés pour examiner les gaz qui en résultent.
Par exemple, STA peut être utilisé pour définir la décomposition thermique du nitrate de lithium, un composant important de certains sels fondus.
Analyse de l'éclair laser (LFA)
Une autre technique précieuse est l analyse flash laser (LFA) qui permet de mesurer l’effet diffusivité thermique et conductivité thermique des sels fondus de différentes compositions à des températures élevées.
Par exemple, la diffusivité thermique du chlorure de sodium, un sel fondu couramment utilisé, peut être mesurée à l’aide d’un LFA.
Dilatométrie (DIL)
La dilatométrie (DIL) est une autre technique importante utilisée pour mesurer la dilatation thermique des sels fondus à différentes températures.
Ces données sont particulièrement pertinentes pour la conception des réacteurs à sels fondus, où les matériaux se dilatent et se contractent sous l’effet de variations de température.
Dans la recherche et le développement des technologies des sels fondus, ces techniques analytiques sont essentielles pour caractériser les propriétés des matériaux et comprendre leur comportement dans différentes conditions.
Cette compréhension est essentielle à l’optimisation et au développement des applications des sels fondus dans divers domaines industriels et scientifiques.
Mesures TG-DSC simultanées sur des sels fondus
L’importance du stockage et du transfert de chaleur augmente considérablement dans le contexte de la production croissante de sources d’énergie alternatives, comme dans les centrales solaires où les sels fondus sont utilisés comme fluides de transfert de chaleur et les PCM (matériaux à changement de phase).
L’efficacité des sels utilisés dépend des propriétés des matériaux telles que la chaleur latente de fusion, la capacité thermique, la densité, la conductivité thermique, l’expansion volumétrique, etc.
C’est pourquoi diverses méthodes d’analyse thermique permettent de caractériser l’efficacité des sels fondus.
Note d'application : Stabilité des sels fondus par analyse thermique simultanée (STA PT 1000)
Résultats et discussion
La figure 1 montre les résultats de la mesure. La courbe bleue représente la perte de masse et la courbe rouge le signal DSC.
Le premier pic du signal DSC correspond à la fusion de l’échantillon. Le début du pic de fusion se situe à 46°C.
Après la fusion complète de l’échantillon, un second pic endothermique apparaît à 141°C. Le signal TG montre une perte de poids de 32% dans cette gamme de température, indiquant la déshydratation du nitrate de calcium tétrahydraté pour former un sel solide anhydre.
Pendant le maintien isotherme à 180°C, l’échantillon ne subit plus aucune modification, ce qui indique que cette température est idéale pour sécher le sel et obtenir le sel anhydre.
Lors du réchauffement à 541°C, un pic endothermique est observé, correspondant à la fusion du sel anhydre. Cependant, le signal TG montre une perte de poids, suggérant une décomposition du sel lors de la fusion. Par conséquent, l’enthalpie de fusion et la capacité thermique du sel anhydre fondu ne peuvent pas être mesurées directement.
Toutefois, il est possible d’y parvenir en effectuant d’ autres mesures TG-DSC sur des mélanges de sels. Le nitrate de calcium doit être mélangé avec du nitrate de lithium, de sodium ou de potassium à différents pourcentages molaires. Les enthalpies de fusion peuvent être déterminées à partir des pics de fusion DSC des mélanges. L’enthalpie de fusion du nitrate de calcium pur peut alors être calculée en extrapolant à un pourcentage molaire de 100 % par rapport au nitrate de calcium.
La même procédure est utilisée pour mesurer la capacité thermique du nitrate de calcium anhydre fondu.
Conclusion
Les méthodes thermoanalytiques conviennent parfaitement à l’obtention des propriétés matérielles des sels fondus.
L’analyse TG-DSC simultanée fournit l’enthalpie de fusion et la capacité thermique à l’état solide et à l’état fondu.
Les signaux de changement de masse peuvent être utilisés pour détecter des processus tels que l’évaporation de l’eau cristalline et la décomposition du sel.
Mesures de la conductivité thermique des sels fondus à l'aide de la technique du flash laser
La détermination et l’optimisation de la conductivité thermique des sels liquides constituent une étape cruciale dans le développement d’une nouvelle génération de réacteurs nucléaires, appelés réacteurs à sels fondus ou réacteurs à sels liquides. Dans ces réacteurs, les sels fondus servent à la fois de stockage de la chaleur et de moyen de transfert de la chaleur générée dans le cœur du réacteur.
Il existe différentes méthodes pour déterminer la conductivité thermique des liquides, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Il est important d’éviter de générer des pertes de chaleur dues à la convection et au rayonnement thermique pendant la mesure, car celles-ci peuvent introduire des erreurs de mesure significatives et donc produire des résultats inexacts. La convection se produit, par exemple, dans les méthodes stationnaires en raison de l’application des gradients de température requis pour la mesure, ce qui est exacerbé par les temps de mesure généralement très longs.
La méthode la plus prometteuse pour déterminer la conductivité thermique des sels fondus est la méthode du flash laser, car elle implique une mesure absolue et ne nécessite donc pas d’étalonnage avec un matériau de référence. En outre, les effets de convection sont minimisés en raison de la faible quantité d’échantillon nécessaire et des temps de mesure courts.
Cependant, comme la méthode du flash laser est principalement conçue pour les matériaux homogènes et solides, la construction d’un porte-échantillon spécial est nécessaire.
La figure 2 illustre la conception du porte-échantillon construit. Le porte-échantillon est en graphite, car il peut résister aux propriétés corrosives du sel, même à des températures élevées. Les parties inférieure et supérieure sont fixées de manière à définir l’épaisseur de l’échantillon dans la partie centrale du porte-échantillon à une certaine distance. La conception prévoit également un espace supplémentaire sur les côtés pour permettre au matériau de se dilater à des températures plus élevées. En outre, la partie supérieure est équipée de trous pour permettre aux gaz générés par le matériau de s’échapper. Ce point est crucial, car les gaz dissous peuvent former des bulles entraînant des inhomogénéités dans le matériau ou un mauvais contact avec le support.
Note d'application : Mesure de la diffusivité thermique des sels fondus à l'aide du LFA 1000
La mesure de la diffusivité thermique du sel fondu FLiNaK présentée ici a été effectuée dans une atmosphère d’hélium de 773 K à 973 K à l’aide d’un système Linseis LFA1000. Le creuset spécialement conçu a été placé dans un robot d’échantillonnage capable d’accueillir jusqu’à trois échantillons simultanément. Avant le test proprement dit, l’échantillon a été préchauffé plusieurs fois à une température légèrement supérieure à la température de fusion pour permettre le dégazage du matériau et éviter ainsi la formation de bulles dans le sel fondu.
Résultats et discussion
La conductivité thermique du sel fondu peut être calculée à l’aide de la diffusivité thermique mesurée par le LFA et des données relatives à la capacité thermique spécifique et à la densité en utilisant la relation suivante :
Les résultats de la diffusivité et de la conductivité thermiques sont présentés dans le graphique ci-dessous. Les deux propriétés montrent une augmentation relativement linéaire des valeurs avec la température.
En résumé, la conductivité thermique du sel fondu FLiNaK a été déterminée comme étant de 0,652-0,927 W/m∙K avec une incertitude de +/- 0,023 W/m∙K dans la plage de température de 773 K à 973 K [1]. Ces résultats sont en accord avec les valeurs publiées précédemment.
Résultats et discussion
En conclusion, la technique Laser Flash, associée au creuset spécialement développé et au modèle combiné de Dusza, s’avère être une méthode fiable pour déterminer la diffusivité thermique des sels fondus à haute température.
