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"Procédé pour rendra optimales la conduction et la transmission de chaleur à hautes températures"
La présente invention concerne un procédé pour rendre optimale la conduction et la transmission de chaleur dans des systèmes de transmission de chaleur à haute température, en particulier dans des sels en 'fusion*
On utilise depuis longtemps des sels fondus, dans l'industrie métallurgique et dans l'industrie céramique, comme agents de. transmission de chaleur aux hautes températures* Récemment, on a évalué la possibilité de les utiliser et on les a effectivement mis en oeuvre dans des réacteurs nucléaires homogènes.
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On a par exemple étudié et utilisé dans un cas une masse en fusion de sels composée de NaF-BeF2-UF- ou de LiF-BeF2ThF4-UF4 comme combustible nucléaire et une masse de sels en fusion composée de KF-LiF-BeF2 ou de LiF-RF comme réfrigérant,.
En général, on préfère utiliser des mélanges de sels alcalins, car ils ont un point de fusion plus bas.
Deux mélanges de ce genre sont connus sous le nom de HTS (Heat transfer salt) depuis 1940, à savoir HTS 1 : NaN02- NaNO3-KNO3 (40:7:53)
HTS 2 : NaN02-KN03
Pour le mélange HTS 1, la désignation commerciale utilisée généralement est HITEC. On connaît en outre depuis 1931 - des masses de sels en fusion commercialisées portant la désigna- tion N.S. ( d'après leurs inventeurs W. Nocon et E. Sander), l'une d'elles étant composée de six parties de A1C13, de trois parties de NaOl et de une partie de FeC13, ces masses de sels en fusion pouvant Six' 'composées de façon très générale de mélanges de chlorures de métaux monovalents et trivalents quelconques.
Par ces compositions, on tend à obtenir une stabilité thermique par- ticulièrement bonne de la masse en fusion,.
Cependant, tous les agents' de transmission de chaleur présentent un défaut qui prend une importance.considérable en particulier aux hautes températures. Dans ces milieux, la trans- mission .totale de chaleur comprend les composantes suivantes
1. transport oscillatoire
2. convection 3. transport par rayonnement
La majeure partie du transport de chaleur par rayon- nement a lieu dans le domaine des fréquences proches de l'infra- rouge.
Si une masse en fusion n'est- pas absorbante dans ce domaine,
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le transport de chaleur par rayonnement est perdu dans une large mesure pour la conduction d'ensemble de la chaleur, Comme, d'après la loi du rayonnement de Planck, la densité du flux de rayonnement croit proportionnellement à T4, la proportion du transport par rayonnement dans l'ensemble de la transmission de chaleur est extrêmement importante à partir de températures d'environ ôOO C. Dans l'état actuel de la technique, il n'existe aucune possibilité de mettre à profit la composante de rayonnement dans la transmission de chaleur par des agents réfrigérants aux hautes températures. Le problème de la conduction de chaleur par rayonnement dans des,masses de sels en fusion n'a pas encore fait l'objet d'études.
Le procédé pour rendre optimales la conduction et la transmission de chaleur dans des systèmes conformes à l'invention de transmission de chaleur à hautes températures permet d'éviter ces inconvénients et a pour particularité essentielle que les agents de transmission de chaleur à hautos températures sont additionnés ou sont constitués totalement de substances qui sont fortement absorbantes ou émettrices dans le domaine de l'infra-rouge et les surfaces des parois des récipients sont réalisées de manière que leur capacité d'émission soit maximale.
Selon une autre particularité essentielle de l'invention, les substances à ajouter aux agents de transmission de chaleur comprennent de manière générale les métaux des groupes suivants du système périodique des éléments : 3; 3a, 4; 4a, 5, 5a, 6, 6a, 7a, les lanthanides et les transuraniens.
Par des additions de ce genre aux masses de sels en fusion, on accroît la totalité de la chaleur transmise par absorption et émission dans le domaine de l'infra-rouge en mettant à profit la composante du rayonnement.
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Selon les conditions du cas particulier, la quantité supplémentaire de chaleur transportée est donnée par : 1) La capacité démission do la surface du matériau constituant le récipient (de ses parois) qui peut être accrue pour atteindre la valeur de 0,9 par Inapplication de revêtements.
2) La position do la bande d'absorption des ions absorbants le maximum de la densité du flux de rayonnement au-dessus de 800 K étant située dans les limites de longueurs d'ondes comprises entre 0,8 et 8 .
3) Le taux d'absorption et la largeur de la bande d'absoption.
4) La concentration des ions absorbants.
5) La probabilité de passage des états oscillatoires provoqués par absorption dans des états de translation. En raison de la dégénération des états oscillatoires et de la fréquence des chocs triples qui se produisent entre les ions cette probabilité de passage est très élevée. Les avantages obtenus par l'invention par rapport à la technique antérieure sont exposés à ltaide de l'exemple suivant :
Pour un gradient de température de 100 C, les quantités de chaleur suivantes sont transmises par cm2 et par secon- de :
a) Par rayonnement entre deux corps noirs à 1000 C
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qs = 1,3 cal/cm qs = T , 4 - Tonle signe - étant la constante de St ephan-Bo11zman b) Par la conduction do chaleur dans une masse en fusion de fluorures LiF-RbF (en proportion 43:57) dont la conductibilité
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thermique à l'état liquide est de .,9. 10'* cal/sec. cm#00 + 25%, le point de fusion étant de 475 C. qe = 0,49 cal/cm
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En comparant qs et qe, on remarque que la quantité de chaleur à transporter par rayonnement est supérieure au double de celle qui est à transporter par conduction pure. On doit considérer que la valeur de qs repose sur la supposition que la masse on fusion est absorbante comme un corps noir.
Cette valeur est réduite dans chaque cas particulier salon la position de la bande d'absorption et le degré d'absorption*
Le procédé conforme à l'invention permet également d'obtenir un rendement thermodynamique supérieur dans les procédés thermiques dans lesquels on utilise un agent de transmission de chaleur à haute température ot cette particularité est notamment très importante dans les réacteurs nucléaires du type à sels .en fusion
Le procédé conforme 8 l'invention peut également être mis on oeuvre pour rendre optima los procédés de transmission de chaleur dans lesquels cette transmission a lieu par l'intermédiaire d'un agent secondaire.
Il s'agit, en particulier, du cas connu dans lequel un métal liquide, par exemple du plomb, est injecté comme agent de transmission de chaleur secondaire dans un agont primaire avec lequel il n'est pas compatible, par exemple dans une masse de sels en fusion, ce métal étant séparé mécaniquement après avoir absorbé la chaleur, pour abandonner celle-ci de son côté vers l'extérieur à travers une paroi de récipient par exemple à un autre milieu,tel que do la v peur d'eau.
Dans ce cas également, on peut rendre optimum le procédé conforme à l'invention en utilisant également partiellement ou totalement comme agents de transmission secondaires de chaleur des substances qui sont fortement absorbantes dans le domaine de l'infra-rouge et dont la capacité d'émission est
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choisie à une valeur maximale de manière connue* la litérature sur laquelle est basé cet exposé est la suivante 1) ORNL 1370 H.W. Hoffmann 1952 2) ORNL 2433 H.W. Hoffmann, S.J. Cohen 1960
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3) CF-5Ô"4-'23 (me) J.C. Amos, R.M,MaePhorsono R.L. Senn 4) CF-5Ô-2-4O (me) H.W. Hoffmann 5) CF-54...7-145 (me) W*D.
Powos, S*Jo Clairbome 6) Sano, MacPherson, Maslan
Fluid Fuel Roactors @
EMI6.2
Addison-Wedley Publé Compo Inca 7) P.L. Gaisîngon, Handbook of Hot Transfor Media, Roinhold Publ. Corp.,NEw York, 1962
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"Process for optimizing the conduction and transmission of heat at high temperatures"
The present invention relates to a method for optimizing the conduction and transmission of heat in high temperature heat transmission systems, in particular in molten salts *.
Molten salts have long been used in the metallurgical industry and in the ceramics industry as agents. heat transmission at high temperatures * Recently, the possibility of their use has been evaluated and they have actually been implemented in homogeneous nuclear reactors.
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For example, a molten mass of salts composed of NaF-BeF2-UF- or LiF-BeF2ThF4-UF4 as nuclear fuel and a mass of molten salts composed of KF-LiF-BeF2 or of LiF-RF as refrigerant ,.
In general, it is preferred to use mixtures of alkali salts because they have a lower melting point.
Two such mixtures have been known under the name of HTS (Heat transfer salt) since 1940, namely HTS 1: NaN02- NaNO3-KNO3 (40: 7: 53)
HTS 2: NaN02-KN03
For the HTS 1 mixture, the trade name generally used is HITEC. Also known since 1931 - masses of molten salts sold bearing the designation NS (after their inventors W. Nocon and E. Sander), one of them being composed of six parts of A1C13, three parts of NaOl and one part of FeC13, these masses of molten salts being able to Six '' very generally composed of mixtures of chlorides of any monovalent and trivalent metals.
These compositions tend to obtain a particularly good thermal stability of the molten mass.
However, all heat transfer agents have a defect which assumes considerable importance especially at high temperatures. In these environments, the total heat trans- mission comprises the following components
1.Oscillatory transport
2.convection 3.radiation transport
Most of the radiant heat transport takes place in the near infrared frequency range.
If a molten mass is not absorbent in this area,
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heat transport by radiation is lost to a large extent for the overall conduction of heat, As, according to Planck's law of radiation, the density of the radiation flux increases in proportion to T4, the proportion of transport by Radiation in the whole heat transmission is extremely important from temperatures of about 600 C. In the current state of the art there is no possibility of exploiting the radiation component in the transmission of heat. heat by refrigerants at high temperatures. The problem of heat conduction by radiation in masses of molten salts has not yet been studied.
The method for optimizing the conduction and transmission of heat in systems according to the invention for transmitting heat at high temperatures makes it possible to avoid these drawbacks and has the essential feature that the agents for transmitting heat at high temperatures are added or consist entirely of substances which are highly absorbent or emitting in the infrared range and the surfaces of the walls of the receptacles are designed so that their emission capacity is maximum.
According to another essential feature of the invention, the substances to be added to the heat transfer agents generally comprise the metals of the following groups of the periodic system of elements: 3; 3a, 4; 4a, 5, 5a, 6, 6a, 7a, lanthanides and transuranics.
By additions of this kind to the masses of molten salts, the totality of the heat transmitted by absorption and emission in the infrared range is increased by making use of the radiation component.
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Depending on the conditions of the particular case, the additional quantity of heat transported is given by: 1) The emission capacity of the surface of the material constituting the container (of its walls) which can be increased to reach the value of 0.9 by the application of coatings.
2) The position of the absorption band of the absorbing ions with the maximum density of the radiation flux above 800 K being located within the wavelength limits between 0.8 and 8.
3) The absorption rate and the width of the absorption band.
4) The concentration of absorbent ions.
5) The probability of passing from the oscillatory states caused by absorption into translational states. Due to the degeneration of the oscillatory states and the frequency of the triple shocks that occur between the ions this probability of passage is very high. The advantages obtained by the invention over the prior art are explained with the aid of the following example:
For a temperature gradient of 100 C, the following quantities of heat are transmitted per cm2 and per second:
a) By radiation between two black bodies at 1000 C
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qs = 1.3 cal / cm qs = T, 4 - Tonle sign - being the St ephan-Bo11zman constant b) By the conduction of heat in a molten mass of LiF-RbF fluorides (in proportion 43:57) of which conductivity
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thermal in liquid state is., 9. 10 '* cal / sec. cm # 00 + 25%, the melting point being 475 C. qe = 0.49 cal / cm
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By comparing qs and qe, we notice that the quantity of heat to be transported by radiation is greater than double that which is to be transported by pure conduction. We must consider that the value of qs rests on the assumption that the mass being fused is absorbent like a black body.
This value is reduced in each particular case depending on the position of the absorption band and the degree of absorption *
The process according to the invention also makes it possible to obtain a higher thermodynamic efficiency in thermal processes in which a high-temperature heat transfer agent is used ot this feature is especially very important in nuclear reactors of the salt type .en fusion
The method according to the invention can also be implemented to optimize heat transmission processes in which this transmission takes place by means of a secondary agent.
This is, in particular, the known case in which a liquid metal, for example lead, is injected as a secondary heat transfer agent in a primary agont with which it is not compatible, for example in a mass of molten salts, this metal being mechanically separated after having absorbed the heat, in order to abandon the latter on its side towards the outside through a container wall, for example, to another medium, such as water.
Also in this case, the process according to the invention can be optimized by also using partially or totally as secondary heat transfer agents substances which are highly absorbent in the infrared range and whose capacity to absorb. show is
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chosen at a maximum value in a known manner * the literature on which this presentation is based is as follows 1) ORNL 1370 H.W. Hoffmann 1952 2) ORNL 2433 H.W. Hoffmann, S.J. Cohen 1960
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3) CF-5Ô "4-'23 (me) JC Amos, RM, MaePhorsono RL Senn 4) CF-5Ô-2-4O (me) HW Hoffmann 5) CF-54 ... 7-145 (me) W * D.
Powos, S * Jo Clairbome 6) Sano, MacPherson, Maslan
Fluid Fuel Roactors @
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Addison-Wedley Publé Inca Compo 7) P.L. Gaisîngon, Handbook of Hot Transfor Media, Roinhold Publ. Corp., NEw York, 1962