Development of a Thermal Conductivity Model for Molten Salt Solutions

Les sels fondus sont l’un des meilleurs matériaux pour les technologies d’énergie avancées et dans les applications industrielles, comme les réacteurs nucléaires à sels fondus, le stockage d’énergie, les matériaux à changement de phase, ainsi que la production et le recyclage des métaux. Dans ces applications d’ingénierie, la conductivité thermique est l’un des facteurs les plus importants qui impactent le design, l’efficacité et la sûreté du système. Malheureuse-ment, les données expérimentales sur la conductivité thermique des sels fondus sont souvent limitées, en particulier dans le cas des mélanges de sels fondus. Les données expérimentales ne sont souvent pas en accord, les valeurs obtenues expérimentalement étant assez dispersées, en raison des difficultés liées aux conditions de mesure, comme les hautes températures, les environnements corrosifs et les mécanismes de transfert de chaleur pendant l’expérience. De plus, il existe encore des sels fondus dont la conductivité thermique est totalement inconnue. Par conséquent, le développement d’un modèle théorique capable de prédire avec précision la conductivité thermique des sels fondus est essentiel pour faire avancer le développement de la technologie des sels fondus, établir une base de données solide sur ces matériaux, comparer expérimentalement les techniques de mesure pour les nouvelles données, et enfin améliorer la connaissance globale de la conductivité thermique des sels fondus. Pour répondre à ce besoin, un modèle théorique basé sur la théorie cinétique est proposé dans un premier temps. Ce modèle a démontré sa précision pour prédire la conductivité thermique des sels fondus en fonction de la température à partir du point de fusion pour les sels fondus purs monoatomiques et polyatomiques. Ce modèle n’a besoin d’aucune constante d’ajustement empirique, mais dépend principalement du nombre de cations et d’anions des sels fondus, et des propriétés physiques connues des sels. Les prédictions de la conductivité thermique des sels fondus sont en accord avec les données expérimentales communément admises, à la fois aux points de fusion et en termes de leur dépendance à la température. La méthode de Bland-Altman est appliquée pour vérifier la fiabilité du modèle, qui présente une erreur inférieure à ± 10%. En outre, le modèle a démontré une précision de prédiction comparable aux données expérimentales à travers les différentes familles de sels fondus, y compris les halogénures, les halogénures divalents, les carbonates, les nitrates/nitrites, les sulfates et les hydroxydes. Pour faciliter son utilisation, le modèle est ensuite paramétrisé comme une fonction linéaire de la température pour chacun des sels fondus purs.

Abstract

Molten salts are some of the most promising materials for advanced energy technologies and industrial applications, such as nuclear reactors, thermal energy storage, phase change materials, and metal production. In these engineering applications, thermal conductivity is an important factor impacting analyses related to the design, efficiency, and safety of the system. Unfortunately, experimental datasets on the thermal conductivity of molten salts are often limited, especially molten salt mixtures. The reported experimental data tends to be inconsistent, likely due to challenging experimental conditions such as high temperatures, corrosive environments, and competing heat transfer mechanisms that can bias measurements. Indeed, many molten salts lack comprehensive knowledge regarding their thermal conductivity. Therefore, a theoretical model to accurately predict the thermal conductivity of molten salts is essential for developing molten salt technologies, advancing molten salt property databases, verifying experimental measurements, and improving the overall under-standing of molten salt thermal conductivity. To address this need, a theoretical model based on kinetic theory was proposed as the initial step. This model succeeded in predicting the temperature-dependent thermal conductivity of both simple and complex pure molten salts without requiring any empirical fitting constants. The predicted thermal conductivity values showed good agreement with reliable experimental datasets, both at melting points and in terms of their temperature dependence, with an average deviation of ±10% or less, as verified by the Bland-Altman method. Furthermore, the model exhibited predictive accuracy comparable to reliable experimental measurements across various salt families, including halides, divalent halides, carbonates, nitrates/nitrites, sulfates, and hydroxides. To facilitate practical use, the model was parameterized as a linear function of temperature. Building on the model for pure molten salts, it was extended to account for the composition dependent thermal conductivity of simple molten salt mixtures, incorporating mass fluctuation effects due to the distinct characteristics of different ions within the melt. This model proved applicable for commonanion or commoncation mixtures, where no interatomic interactions occur between the ions. Predictions were validated against numerous common-ion binary mixtures of fluorides, chlorides, bromides, and iodides, utilizing equilibrium molecular dynamics simulations and available experimental data. The results showed a significant improvement in accuracy over the commonly used ideal mixing rule.