背景介紹
熔鹽在300℃以上的高溫下具有穩(wěn)定性，并展現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能。這些性能對于需要高效傳熱的應(yīng)用場景至關(guān)重要，例如核裂變反應(yīng)堆和太陽能發(fā)電廠。特別是FLiNaK熔鹽，它是氟化鋰（LiF）、氟化鈉（NaF）和氟化鉀（KF）的共晶混合物，是一種很有前景的反應(yīng)堆建造材料，以其高導熱性而著稱。在熔鹽反應(yīng)堆（一種先進的核反應(yīng)堆）中，FLiNaK被用作裂變材料的載體介質(zhì)。這些反應(yīng)堆利用熔鹽的高熔點和出色的傳熱能力，實現(xiàn)更高效、更安全的核裂變。而確定并優(yōu)化熔鹽的熱導率，是開發(fā)新一代核反應(yīng)堆（即熔鹽反應(yīng)堆或液態(tài)鹽反應(yīng)堆）過程中的關(guān)鍵一步。
有多種測定液體熱導率的方法，每種方法都各有利弊。在測量過程中，避免因?qū)α骱蜔彷椛涠斐蔁崃繐p失至關(guān)重要，因為這些因素會帶來顯著的測量誤差，進而得出不準確的結(jié)果。例如，在穩(wěn)態(tài)測量方法中，由于測量時需要施加溫度梯度，就會產(chǎn)生對流現(xiàn)象，而且通常較長的測量時間會使這種情況更加嚴重。測定熔鹽熱導率最有前景的方法是激光閃射法，因為它是一種絕對測量方法，所以無需使用參考材料進行校準。此外，由于所需樣品量少且測量時間短，對流效應(yīng)被降到了低水平。然而，由于激光閃射法主要是為均勻的固態(tài)材料設(shè)計的，因此需要構(gòu)建一種特殊的樣品支架。
如上圖展示了所構(gòu)建的樣品支架的設(shè)計。該支架由石墨制成，因為即使在較高溫度下，石墨也能承受鹽的腐蝕性。支架的底部和頂部以一種特定方式連接，使得在支架中間部分能確定樣品的厚度為一定距離。同時該設(shè)計還在側(cè)面留出了額外空間，以便材料在較高溫度下能夠膨脹。此外，頂部設(shè)有孔洞，以便材料產(chǎn)生的任何氣體能夠逸出。這一點至關(guān)重要，因為溶解的氣體可能會形成氣泡，從而導致材料不均勻或與支架接觸不良。
實驗過程
本文所介紹的FLiNaK熔鹽熱擴散率的測量是在氦氣氣氛中，使用Linseis LFA L52型儀器，在773至973K的溫度范圍內(nèi)進行的。專門設(shè)計的樣品倉被放置在一個樣品自動進樣器中，該裝置能夠同時容納三個樣品。在實際測試之前，樣品會被多次預熱至略高于其熔點的溫度，以使材料脫氣，從而避免熔鹽中產(chǎn)生氣泡。
實驗結(jié)果分析
熱擴散率和熱導率的測量結(jié)果如下圖所示，這兩項屬性的測量結(jié)果都隨著溫度的升高呈現(xiàn)出相對線性的增長趨勢。
綜上所述，經(jīng)測定，在773K至973K的溫度范圍內(nèi)，FLiNaK熔鹽的熱導率為0.652至0.927W/(m?K)，其不確定度為±0.023W/(m?K)。這表明該結(jié)果與文獻值具有良好的一致性。
激光閃射技術(shù)，結(jié)合專門開發(fā)的樣品倉以及Dusza組合模型，是一種在高溫下測定熔鹽熱擴散率的可靠方法，再結(jié)合熔鹽的比熱容和密度參數(shù)，即可以計算出熔鹽的熱導率。準確的熱導率對于熔鹽在高溫傳熱系統(tǒng)中的應(yīng)用至關(guān)重要，為開發(fā)新型高性能熔鹽傳熱蓄熱材料提供數(shù)據(jù)支持，推動高溫熔鹽傳熱蓄熱技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。
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