熔鹽在高于 300 ℃ 的溫度下具有穩(wěn)定性，并展現(xiàn)出卓越的熱性能。這些性能對(duì)于需要高效傳熱的應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要，例如核裂變反應(yīng)堆和太陽(yáng)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(dǎo)熱性而著稱(chēng)。

在這些應(yīng)用中，氟鋰鈉鉀（FLiNaK）充當(dāng)冷卻劑和熱載體，其比熱容和密度對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 在熔鹽反應(yīng)堆（一種先進(jìn)的核反應(yīng)堆）中，氟鋰鈉鉀（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(diǎn)和出色的傳熱能力，實(shí)現(xiàn)更高效、更安全的核裂變。 與傳統(tǒng)的水冷反應(yīng)堆相比，它們具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如更高的運(yùn)行溫度可提高熱效率，以及更低的運(yùn)行壓力可降低蒸汽爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

在太陽(yáng)能熱電廠中，熔鹽被用作傳熱介質(zhì)，用于儲(chǔ)存和傳輸太陽(yáng)能集熱器所吸收的太陽(yáng)能。熔鹽能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存熱量，這使得即使在沒(méi)有直射陽(yáng)光的情況下也能持續(xù)發(fā)電。 通過(guò)確保無(wú)論白天時(shí)間或天氣條件如何，都能有穩(wěn)定的能源供應(yīng)，這顯著提高了此類(lèi)設(shè)施的整體效率和可靠性。

熱化學(xué)和熱力學(xué)是研究熔鹽的關(guān)鍵工具，能為深入了解這些材料的性質(zhì)提供全面的見(jiàn)解。 吉布斯自由能、焓、熵和比熱容都是極為重要的參數(shù)。吉布斯自由能衡量的是一個(gè)系統(tǒng)做功的熱力學(xué)勢(shì)，在確定化學(xué)反應(yīng)的方向和程度以及熔鹽的相平衡方面起著關(guān)鍵作用。此外，它還影響著這些鹽的穩(wěn)定性，而這對(duì)于理解和優(yōu)化它們的應(yīng)用及用途至關(guān)重要。

熔鹽的熱物理性質(zhì)同樣重要。這些性質(zhì)包括比熱容、熱導(dǎo)率和傳熱系數(shù)。它們?cè)趯?duì)使用熔鹽的系統(tǒng)（如熔鹽反應(yīng)堆、熱交換器和儲(chǔ)罐）進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面起著至關(guān)重要的作用。

熔鹽的密度會(huì)影響其流動(dòng)特性和熱量分布，而熱導(dǎo)率則會(huì)顯著影響這些系統(tǒng)中的熱傳遞效率。傳熱系數(shù)是熔鹽中熱交換過(guò)程效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。在基于熔鹽的技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)中，對(duì)熱化學(xué)和熱物理性質(zhì)進(jìn)行全面研究是必不可少的。這些知識(shí)能夠提高此類(lèi)系統(tǒng)的性能和效率，使其適用于核能、太陽(yáng)能、金屬提取和電化學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

不同熱分析技術(shù)的結(jié)合能夠?qū)θ埯}的熱化學(xué)和熱物理性質(zhì)展開(kāi)深入研究，全面了解這些材料對(duì)于優(yōu)化它們?cè)诟鱾€(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

所使用的技術(shù)之一是同步熱分析（STA），它是一種將熱重分析（TGA）和差示掃描量熱法（DSC）相結(jié)合的技術(shù)，可用于測(cè)定多種性質(zhì)。通過(guò) STA，可以分析熔鹽的質(zhì)量損失、熔點(diǎn)、相變、比熱容、熱穩(wěn)定性和分解情況，還可以使用質(zhì)譜儀等聯(lián)用儀器來(lái)檢測(cè)生成的氣體。例如，STA 可用于確定硝酸鋰的熱分解情況，硝酸鋰是某些熔鹽的重要成分。

另一種有價(jià)值的技術(shù)是激光閃射法分析（LFA），它能測(cè)量不同成分熔鹽在高溫下的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率。例如，可以使用激光閃射法導(dǎo)熱儀測(cè)量常用熔鹽氯化鈉的熱擴(kuò)散率。

熱膨脹法（DIL）是另一種用于測(cè)量熔鹽在不同溫度下熱膨脹的重要技術(shù)，該數(shù)據(jù)對(duì)于熔鹽反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)尤為重要，因?yàn)樵谌埯}反應(yīng)堆中，材料會(huì)在溫度變化時(shí)發(fā)生膨脹和收縮。

在熔鹽技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)中，這些分析技術(shù)對(duì)于表征材料特性以及了解它們?cè)诓煌瑮l件下的行為至關(guān)重要。 這種對(duì)熔鹽的了解是優(yōu)化熔鹽應(yīng)用，并推動(dòng)其在各個(gè)工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在。

在替代能源產(chǎn)量不斷增長(zhǎng)的背景下，儲(chǔ)熱和熱傳遞的重要性日益凸顯，比如在太陽(yáng)能發(fā)電廠中，熔鹽被用作傳熱流體和相變材料（PCM）。 所使用的熔鹽的效率取決于諸如熔化潛熱、比熱容、密度、熱導(dǎo)率、體積膨脹率等材料特性。因此，各種熱分析方法都適用于對(duì)熔鹽的效率進(jìn)行表征。

在本項(xiàng)研究中，展示并討論了對(duì)四水合硝酸鈣（Ca (NO?)??4H?O）進(jìn)行熱重 - 差示掃描量熱（TG-DSC）測(cè)量的結(jié)果。這種鹽因其價(jià)格低廉且極為有效，被廣泛用作儲(chǔ)熱和傳熱材料。

使用林賽斯 STA L82 儀器對(duì)樣品進(jìn)行了分析，該儀器可同時(shí)監(jiān)測(cè)重量變化和差示掃描量熱（DSC）信號(hào)。根據(jù)DSC信號(hào)，可以確定相變焓和熱容。 將樣品置于一個(gè)密閉的鋁制坩堝中，以 10 K/min 的升溫速率加熱至 180 ℃ ，并等溫保持 3 小時(shí)。隨后，再以 10 K/min 的升溫速率將其加熱至 600 ℃ 。

上圖展示了測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色曲線(xiàn)表示質(zhì)量損失，紅色曲線(xiàn)表示差示掃描量熱（DSC）信號(hào)。DSC 信號(hào)中的第一個(gè)峰對(duì)應(yīng)著樣品的熔化過(guò)程。熔化峰的起始溫度為 46 ℃ 。在樣品完全熔化后，出現(xiàn)了第二個(gè)吸熱峰，其起始溫度為 141 ℃ 。熱重（TG）信號(hào)顯示，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)樣品質(zhì)量損失了 32 % ，這表明四水合硝酸鈣發(fā)生了脫水反應(yīng)，生成了固態(tài)的無(wú)水鹽。在 180 ℃ 等溫保持期間，樣品未發(fā)生進(jìn)一步的變化，這表明該溫度是干燥該鹽并得到無(wú)水鹽的理想溫度。當(dāng)再次加熱到 541 ℃ 時(shí)，觀察到一個(gè)吸熱峰，這對(duì)應(yīng)著無(wú)水鹽的熔化。然而，熱重（TG）信號(hào)顯示出質(zhì)量損失，這表明該鹽在熔化時(shí)發(fā)生了分解。因此，無(wú)法直接測(cè)量熔融無(wú)水鹽的熔化焓和熱容。

不過(guò)，這可以通過(guò)對(duì)鹽混合物進(jìn)一步進(jìn)行熱重 - 差示掃描量熱（TG-DSC）測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要將硝酸鈣與硝酸鋰、硝酸鈉或硝酸鉀按不同的摩爾百分比進(jìn)行混合。從這些混合物的差示掃描量熱（DSC）熔化峰，可以確定其熔化焓。然后，通過(guò)外推至硝酸鈣摩爾百分比為 100 % 的情況，就能夠計(jì)算出純硝酸鈣的熔化焓。 同理，采用相同的步驟來(lái)測(cè)量熔融無(wú)水硝酸鈣的熱容。

熱分析方法非常適合用于獲取熔鹽的材料特性。同步熱重-差示掃描量熱（TG-DSC）分析能夠提供固態(tài)和熔融態(tài)下的熔化焓以及熱容信息。質(zhì)量變化信號(hào)可用于檢測(cè)諸如結(jié)晶水蒸發(fā)和鹽分解等過(guò)程。

確定并優(yōu)化液態(tài)鹽的熱導(dǎo)率，是開(kāi)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(guò)程中的關(guān)鍵一步。在這類(lèi)反應(yīng)堆中，熔鹽既充當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)，又作為傳輸反應(yīng)堆堆芯所產(chǎn)生熱量的媒介。

有多種測(cè)定液體熱導(dǎo)率的方法，每種方法都各有利弊。在測(cè)量過(guò)程中，避免因?qū)α骱蜔彷椛涠斐蔁崃繐p失至關(guān)重要，因?yàn)檫@些因素會(huì)帶來(lái)顯著的測(cè)量誤差，進(jìn)而得出不準(zhǔn)確的結(jié)果。例如，在穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法中，由于測(cè)量時(shí)需要施加溫度梯度，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)流現(xiàn)象，而且通常較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間會(huì)使這種情況更加嚴(yán)重。

測(cè)定熔鹽熱導(dǎo)率最有前景的方法是激光閃射法，因?yàn)樗且环N絕對(duì)測(cè)量方法，所以無(wú)需使用參考材料進(jìn)行校準(zhǔn)。此外，由于所需樣品量少且測(cè)量時(shí)間短，對(duì)流效應(yīng)被降到了最低。然而，由于激光閃射法主要是為均勻的固態(tài)材料設(shè)計(jì)的，因此需要構(gòu)建一種特殊的樣品支架。

如下圖展示了所構(gòu)建的樣品支架的設(shè)計(jì)。該支架由石墨制成，因?yàn)榧词乖谳^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。這種設(shè)計(jì)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(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)槿芙獾臍怏w可能會(huì)形成氣泡，從而導(dǎo)致材料不均勻或與支架接觸不良。

這里介紹的熔鹽 FLiNaK 熱擴(kuò)散率的測(cè)量是在氦氣氣氛中，使用林賽斯 LFA L52 型儀器，在 773 K 至 973 K 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的樣品倉(cāng)被放置在一個(gè)樣品自動(dòng)進(jìn)樣器中，該裝置能夠同時(shí)容納三個(gè)樣品。在實(shí)際測(cè)試之前，將樣品多次預(yù)熱至略高于其熔點(diǎn)的溫度，以使材料脫氣，從而避免熔鹽中產(chǎn)生氣泡。

熔鹽的熱導(dǎo)率可以借助通過(guò)激光閃射法（LFA）測(cè)得的熱擴(kuò)散率，以及比熱容和密度的數(shù)據(jù)，利用以下關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算：

熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率的測(cè)量結(jié)果如下圖所示。這兩項(xiàng)屬性的測(cè)量結(jié)果都隨著溫度的升高呈現(xiàn)出相對(duì)線(xiàn)性的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

綜上所述，經(jīng)測(cè)定，在 773 K 至 973 K 的溫度范圍內(nèi)，F(xiàn)LiNaK 熔鹽的熱導(dǎo)率為 0.652 至 0.927 W/(m?K) ，其不確定度為 ±0.023 W/(m?K) 。這表明該結(jié)果與先前發(fā)表的數(shù)值具有良好的一致性。

激光閃射技術(shù)，結(jié)合專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的樣品倉(cāng)以及杜薩（Dusza）組合模型，被證明是一種在高溫下測(cè)定熔鹽熱擴(kuò)散率的可靠方法。*

*https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0017931015007516