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용융 소금의 응용
용융염은 300°C 이상의 고온에서 안정적이며 놀라운 열적 특성을 나타냅니다.
이러한 특성은 핵분열 원자로나 태양광 발전소와 같이 효율적인 열 전달이 필요한 애플리케이션에 매우 중요합니다.
특히 불화리튬(LiF), 불화나트륨(NaF), 불화칼륨(KF)의 공융 혼합물인 FLiNaK 용융염은 열전도율이 높은 것이 특징인 원자로 건설에 유망한 소재입니다.
이러한 맥락에서 FLiNaK는 냉각수 및 열 전달체 역할을 합니다. 비열 용량 및 밀도는 시스템 설계에 매우 중요합니다.
첨단 원자로 유형인 용융염 원자로에서는 핵분열성 물질의 운반 매체로 FLiNaK가 사용됩니다.
이 원자로는 높은 녹는점과 뛰어난 열 전달 능력 용융염의 높은 융점과 우수한 열 전달 능력을 활용하여 보다 효율적이고 안전한 핵분열을 가능하게 합니다.
기존 수성 원자로에 비해 작동 온도가 높아 열 효율이 향상되고 작동 압력이 낮아 증기 폭발의 위험이 줄어드는 등 여러 가지 장점이 있습니다.
태양열 발전소에서는 태양열 집열기에 흡수된 태양 에너지를 저장하고 운반하는 열 전달 매체로 용융 염을 사용합니다.
장기간 열을 저장할 수 있기 때문에 직사광선을 받을 수 없는 상황에서도 지속적으로 발전할 수 있습니다.
이는 시간대나 기상 조건에 관계없이 일관된 에너지 공급을 보장함으로써 해당 시설의 전반적인 효율성과 신뢰성을 크게 향상시킵니다.
용융 염 조사에서 열화학 및 열물리학적 특성의 중요성
열화학과 열역학은 용융염 연구에서 중요한 도구로, 이러한 물질의 특성에 대한 포괄적인 통찰력을 제공합니다.
깁스 에너지, 엔탈피, 엔트로피 및 열용량 은 매우 중요한 매개변수입니다. 깁스 에너지는 작업을 수행하는 시스템의 열역학적 잠재력을 측정하며 화학 반응의 방향과 범위, 용융 염의 상 평형을 결정하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 또한 이러한 염의 안정성에 영향을 미치며, 이는 염의 응용과 사용을 이해하고 최적화하는 데 기본이 됩니다.
용융 염의 열물리학적 특성도 마찬가지입니다.
이러한 특성에는 열용량 열전도율및 열전달 계수 등이 포함됩니다.
이러한 특성은 용융염 원자로, 열교환기, 저장 탱크 등 용융염을 활용하는 시스템을 모델링, 설계 및 운영하는 데 필수적인 역할을 합니다.
용융염의 밀도는 흐름 특성과 열 분포에 영향을 미치며, 열전도도는 이러한 시스템의 열 전달 효율에 큰 영향을 미칩니다.
열전달 계수는 용융염의 열교환 공정 효율을 결정하는 중요한 요소입니다.
용융염 기반 기술의 연구 및 개발에서는 열화학 및 열물리학적 특성에 대한 철저한 조사가 필수적입니다.
이러한 지식을 통해 이러한 시스템의 성능과 효율성을 개선할 수 있으므로 원자력, 태양 에너지, 금속 추출, 전기 화학 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.
STA, 레이저 플래시 열확산 분석기 및 팽창계는 용융 염 분석을 위한 강력한 도구입니다.
다양한 분석 기법의 조합을 통해 용융 염의 열화학 및 열물리학적 특성을 심층적으로 조사할 수 있습니다.
다양한 주요 영역에서 이러한 자료를 최적화하려면 이러한 자료에 대한 포괄적인 이해가 필수적입니다.
동시 열 분석(STA)
사용되는 기술 중 하나는 동시 열 분석(STA)의 조합인 열무게 분석(TGA) 와 시차 주사 열량 측정법(DSC)를 결합하여 다양한 특성을 측정할 수 있습니다.
STA를 사용하면 질량 손실, 융점, 상 전이, 열용량, 열 안정성및 용융 염의 분해 등을 분석할 수 있으며, 다음과 같은 결합된 기기인 질량 분석기 와 같은 결합된 기기를 사용하여 결과 가스를 검사할 수도 있습니다.
예를 들어, STA는 일부 용융염의 중요한 성분인 질산리튬의 열 분해를 정의하는 데 사용할 수 있습니다.
레이저 플래시 분석(LFA)
또 다른 유용한 기술은 레이저 플래시 분석(LFA)로, 이는 열 확산도 와 열 전도도 고온에서 다양한 조성의 용융 염을 측정합니다.
예를 들어, 일반적으로 사용되는 용융 염인 염화나트륨의 열확산도는 LFA를 사용하여 측정할 수 있습니다.
확장도 측정(DIL)
팽창 측정법(DIL) 은 다양한 온도에서 용융 염의 열팽창을 측정하는 데 사용되는 또 다른 중요한 기술입니다.
이 데이터는 특히 다양한 온도에서 재료가 팽창하고 수축하는 용융염 원자로의 설계와 관련이 있습니다.
용융 염 기술 연구 및 개발에서 이러한 분석 기술은 재료 특성을 특성화하고 다양한 조건에서의 거동을 이해하는 데 필수적입니다.
이러한 이해는 다양한 산업 및 과학 분야에서 용융염 애플리케이션을 최적화하고 더욱 발전시키는 데 핵심적인 역할을 합니다.
용융 염에 대한 동시 TG-DSC 측정
용융 염을 열전달 유체로 사용하는 태양열 발전소와 같은 대체 에너지원의 생산이 증가함에 따라 열 저장 및 열 전달의 중요성이 크게 증가하고 있습니다. 상변화 물질(PCM).
사용되는 염의 효율은 융합 잠열, 열용량, 밀도, 열전도도, 부피 팽창 등과 같은 재료의 특성에 따라 달라집니다.
따라서 다양한 열 분석 방법이 용융 염의 효율을 특성화하는 데 적합합니다.
애플리케이션 노트: 동시 열 분석에 의한 용융 염의 안정성(STA PT 1000)
이 연구에서는 질산칼슘 사수화물 – Ca(NO3)2.
4H2O의측정 결과를 발표하고 논의합니다.
이 염은 비용 효율성과 높은 효율로 인해 열 저장 및 열 전달 재료로 널리 사용됩니다.
샘플은 무게 변화와 DSC 신호를 동시에 모니터링하는 Linseis STA PT 1000 기기를 사용하여 분석했습니다. DSC 신호로부터 상 전이의 엔탈피와 열 용량을 측정할 수 있습니다.
샘플을 밀폐된 알루미늄 도가니에서 10K/min의 가열 속도로 최대 180°C까지 가열하고 3시간 동안 등온 상태로 유지했습니다.
그 후 10K/min의 가열 속도로 600°C까지 가열했습니다.
결과 및 토론
그림 1은 측정 결과를 보여줍니다. 파란색 곡선은 질량 손실을 나타내고 빨간색 곡선은 DSC 신호를 나타냅니다.
DSC 신호의 첫 번째 피크는 시료의 용융에 해당합니다. 용융 피크의 시작은 46°C입니다.
시료가 완전히 녹은 후 141°C에서 시작되는 두 번째 흡열 피크가 나타납니다. TG 신호는 이 온도 범위에서 32%의 무게 감소를 나타내며 질산칼슘 사수화물이 탈수되어 고체 무수염이 형성되었음을 나타냅니다.
180°C에서 등온 유지되는 동안 샘플은 더 이상의 변화를 겪지 않으며, 이는 이 온도가 소금을 건조하고 무수염을 얻는 데 이상적이라는 것을 나타냅니다.
541°C로 재가열하면 흡열 피크가 관찰되며, 이는 무수염이 녹는 것에 해당합니다. 그러나 TG 신호는 무게 감소를 보여 용융 시 소금의 분해를 시사합니다. 따라서 용융된 무수염의 융합 엔탈피와 열용량은 직접 측정할 수 없습니다.
그러나 이는 소금 혼합물의 추가 TG-DSC 측정을 통해 달성할 수 있습니다. 질산 칼슘은 리튬, 나트륨 또는 질산 칼륨과 다양한 몰 백분율로 혼합해야 합니다. 혼합물의 DSC 용융 피크로부터 융합 엔탈피를 결정할 수 있습니다. 그런 다음 순수한 질산 칼슘의 융합 엔탈피를 질산 칼슘 대비 100%의 몰 백분율로 외삽하여 계산할 수 있습니다.
용융된 무수 질산칼슘의 열용량을 측정할 때도 동일한 절차가 사용됩니다.
결론
열분석 방법은 용융 염의 물성을 얻는 데 매우 적합합니다.
동시 TG-DSC 분석은 고체와 용융 상태 모두에서 융합 엔탈피와 열용량을 제공합니다.
질량 변화 신호는 결정질 물의 증발 및 소금의 분해와 같은 과정을 감지하는 데 사용할 수 있습니다.
레이저 플래시 기술을 사용한 용융 염의 열 전도도 측정
액체 염의 열전도도를 결정하고 최적화하는 것은 용융염 원자로 또는 액체 염 원자로로 알려진 차세대 원자로 개발의 중요한 단계입니다. 여기서 용융염은 열을 저장하는 동시에 원자로 노심에서 발생하는 열을 전달하는 매개체 역할을 합니다.
액체의 열전도도를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 각 방법에는 장단점이 있습니다. 측정 중 대류 및 열 복사로 인한 열 손실이 발생하면 측정 오류가 크게 발생하여 부정확한 결과가 나올 수 있으므로 이를 방지하는 것이 중요합니다. 예를 들어 고정식 방법에서는 측정에 필요한 온도 구배를 적용하기 때문에 대류가 발생하며, 이는 일반적으로 매우 긴 측정 시간으로 인해 더욱 악화됩니다.
용융 염의 열전도도를 측정하는 가장 유망한 방법은 레이저 플래시 방법으로, 절대 측정이므로 기준 물질로 보정할 필요가 없습니다. 또한 필요한 시료의 양이 적고 측정 시간이 짧아 대류 효과가 최소화됩니다.
그러나 레이저 플래시 방식은 주로 균질하고 단단한 재료를 위해 설계되었기 때문에 특수한 샘플 홀더를 제작해야 합니다.
그림 2는 제작된 샘플 홀더의 디자인을 보여줍니다. 홀더는 고온에서도 소금의 부식성을 견딜 수 있는 흑연으로 제작되었습니다. 하단부와 상단부는 홀더의 중간 부분에서 일정 거리를 두고 시료 두께를 정의하는 방식으로 부착되어 있습니다. 이 디자인은 또한 고온에서 재료가 팽창할 수 있도록 측면에 추가 공간을 제공합니다. 또한 상단에는 재료에서 생성된 가스가 빠져나갈 수 있도록 구멍이 뚫려 있습니다. 용해된 가스가 기포를 형성하여 재료의 불균일성을 초래하거나 홀더와의 접촉이 불량해질 수 있으므로 이는 매우 중요합니다.
애플리케이션 노트: LFA 1000을 사용한 용융 염의 열 확산도 측정
여기에 제시된 용융염 FLiNaK의 열확산도 측정은 Linseis LFA1000 시스템을 사용하여 773 K에서 973 K 사이의 헬륨 분위기에서 수행되었습니다. 특수 설계된 도가니는 최대 3개의 샘플을 동시에 수용할 수 있는 샘플 로봇에 배치되었습니다. 실제 테스트에 앞서 시료를 용융 온도보다 약간 높은 온도에서 여러 번 예열하여 재료의 기체를 제거하여 용융 소금에 기포가 생기지 않도록 했습니다.
결과 및 토론
용융 염의 열전도도는 LFA로 측정한 열확산도와 다음 관계를 사용하여 비열 용량 및 밀도에 대한 데이터를 사용하여 계산할 수 있습니다:
열 확산도 및 열 전도도에 대한 결과는 아래 그래프에 나와 있습니다. 두 속성 모두 온도에 따라 값이 비교적 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있습니다.
요약하면, FLiNaK 용융염의 열전도도는 773 K ~ 973 K 온도 범위에서 +/- 0.023 W/m∙K의 불확실성을 가진 0.652-0.927 W/m∙K로 측정되었습니다[1]. 이는 이전에 발표된 값과 잘 일치하는 결과입니다.
결과 및 토론
결론적으로, 레이저 플래시 기술은 특별히 개발된 도가니 및 Dusza의 결합 모델과 결합하여 고온에서 용융 염의 열 확산도를 측정하는 신뢰할 수 있는 방법임이 입증되었습니다*.
