基于配对分布函数的熔盐热导率预测结构连贯性模型

《Journal of Molecular Liquids》：Structural coherence model for predicting molten salt thermal conductivity informed by the pair distribution function

熔盐热导率预测模型研究：基于部分对分布函数的结构有序模型成功预测了33种熔盐的热导率，平均绝对误差15.7%，验证了分子级热传输理论的有效性，为熔盐反应堆设计提供新方法。

　　

Jacob Numbers | Isaac Walker | Tyler Hamm | Nicholas Termini | Anthony Birri | Troy Munro

杨百翰大学机械工程系，美国犹他州普罗沃市EB 240号，邮编84604

摘要

为了预测熔盐反应器的热行为并进行设计优化，必须根据盐的组成和温度来表征熔盐的热导率。现有的理论模型无法为所有卤化物混合物提供一致的近似值，尤其是含锕系元素的熔体。本研究旨在通过一个基于部分配对分布函数（PDF）的简单结构一致性模型，将熔盐的短程有序结构与能量载流子的平均自由路径联系起来。所提出的方法用于预测33种碱金属和碱土金属卤化物盐的热导率。对于分解型、配位型和含锕系元素的盐（包括一元盐LiCl、NaCl和MgCl₂以及混合物LiF–NaF–KF（FLiNaK）、LiF–BeF₂和NaCl–UCl₃），预测结果与实验测量值的平均绝对误差为15.7%。这项工作为熔盐中分子级热传递的能量载流子描述的有效性提供了证据，并对改进液体能量传输理论具有普遍意义。

引言

为了在第四代熔盐反应器（MSR）中使用熔盐作为冷却剂和核燃料载体[1]，需要对液体盐中的微观热传输进行改进的建模。所关注的盐种类繁多，包括Terrapower公司的均质含锕系元素氯化物混合物[2]、Kairos Power公司的卵石床反应器中的氟化物冷却盐[3]，以及Copenhagen Atomics公司的含钍和铀的氟化物盐[4]。预测MSR对温度动态变化的瞬态响应以及裂变产物和腐蚀产物浓度的演变，依赖于对温度和组成依赖的热物理性质的全面表征。由于熔盐性质的测量难度较大（尤其是热导率的测量），直接编制相关数据表变得非常困难。本研究通过开发一种基于结构的分子能量传输模型来弥补这一不足。

热导率（用符号$$表示）是确定MSR安全运行窗口和设计高效热交换系统的关键参数[5]、[6]、[7]。然而，测量热导率时受到电干扰、仪器腐蚀以及未考虑的对流和辐射热传递效应的影响。目前尚缺乏一种能够普遍解决这些复杂因素的标准化测量方法[8]。据报道，不同方法的测量不确定性范围为1–20%[9]，尽管Molten Salt Thermal Properties Database（MSTDB-TP，版本3.1）中的文献值经过严格评估后，不确定性被保守地估计为最高25%[10]。MSTDB-TP中仅列出了820种盐组成中的26种热导率数据，其中只有5种是含锕系元素的混合物。含锕系元素混合物的数据缺失，严重阻碍了各种MSR设计所需燃料盐混合物的广泛表征和优化[11]。

除了实验测量之外，理论研究也在不断为熔盐的热物理特性提供支持。理想情况下，一个全面的液体热理论可以用来验证有限的和不确定的测量结果。然而，与固体和气体的成熟理论相比，液体能量传输的基本机制受到复杂相互作用的影响，这使得传统方法难以适用。关于熔盐热导率对温度、离子质量和配位作用的依赖性，仍有许多未解决的问题。几乎所有理论都预测热导率随温度呈负相关，这与液体伪晶格的热膨胀有关[12]，尽管实验结果在验证这一假设方面存在争议[13]。基于盐化合物的热力学性质建立的组成依赖模型通常对熔盐结构的参考不够明确。为了扩展液体热传输理论的建模能力，需要建立液体分子结构与其能量传输方式之间的直接联系。

为了通过更精确的能量传输模型来支持MSR的应用，本文开发了一个与液体结构相关的热导率模型。回顾了现有的热导率理论，指出了当前机制描述中的不足之处。引入了一种基于能量载流子结构一致性的现象学描述方法，其参数来源于熔盐的PDF。将所提出的模型与实验数据和现有理论进行比较，证明了其在预测单组分和多组分熔盐（包括含锕系元素混合物）方面的准确性和适用性。这些结果增强了熔盐技术的预测能力，并为液体能量传输机制提供了更深入的见解。

章节摘要

现有技术水平

本节介绍了现有熔盐热导率理论的研究现状，包括对液体中能量载流子的讨论，以及基于双相模型、动力学模型、声子模型或结构模型的几类模型的比较。

模型开发

所提出的模型基于统计物理学的基本原理，即任何相互作用系统的性质都受其激发态的控制[21]、[70]。由此，在相互作用介质中的热传输背景下观察到两个原则：（1）热量通过某种形式的能量载流子传递；（2）当传播介质保持有序时，这些能量载流子的有效性质保持不变。这种形式主义要求对能量载流子的性质进行表征。

结果与讨论

本研究的核心目的是通过将平均自由路径与基于PDF的结构一致性长度联系起来，来验证使用载流子介导的热传输模型的有效性。通过两种方法实现了这一目标。第一种方法是对提出的熔盐热导率模型背后的假设进行理论评估，从而得到了由结构一致性长度修正的平均自由路径表达式。使用结构一致性长度的预测结果……

结论

通过使用配对分布函数（PDF）来近似短程有序程度，结构一致性模型（SCM）为熔盐热导率的预测提供了可靠的平均自由路径。所建立的模型预测热导率随温度呈负相关。与之前的动力学理论方法相比，SCM在19种分析的盐类中表现出更好的预测能力，平均绝对误差为15.7%。

未引用的参考文献

[143]

CRediT作者贡献声明

Jacob Numbers：撰写初稿、可视化、软件开发、方法论研究、数据分析、概念构思。 Isaac Walker：撰写与编辑、软件开发、数据分析。 Tyler Hamm：撰写与编辑、验证工作。 Nicholas Termini：验证工作、概念构思。 Anthony Birri：撰写与编辑、验证工作、监督指导、概念构思。 Troy Munro：撰写与编辑、验证工作、监督指导、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究的资金来自美国能源部核能大学计划（NEUP）的资助（项目编号DE-NE0009502）。Anthony Birri和Nicholas Termini得到了美国能源部核能办公室下的熔盐反应器计划和核能先进建模与仿真计划的支持。与Benjamin Frandsen和Matthew Asplund的深入讨论也为项目提供了宝贵的指导。作者还感谢……