Development and application of DSC techniques for the determination of isobaric specific heat capacity in molten salt reactor fuels

Molten Salt Reactors (MSR) are a promising Gen IV technology for next-generation nuclear power due to their inherent safety features and potential for high thermal efficiency. Accurate thermophysical property data, such as isobaric specific heat capacity, are crucial for the design and safety analysis of such reactors. This work presents the development and validation of a rigorous method for measuring the isobaric specific heat capacity of Molten Salt Reactor fuels in both solid and liquid phases, using NETZSCH Differential Scanning Calorimetry (DSC). The research contains the preparation of chloride and fluoride samples, including inactive and radioactive materials, with standardized measurement procedures on the DSC. A novel sample preparation technique was developed to ensure consistency and accuracy in the measurements. The method was first validated using inactive end members, demonstrating high precision and repeatability and contributing to database validation. Subsequent measurements were conducted on a variety of halide salt samples, both inactive and radioactive, to expand the existing literature database and provide fundamental thermodynamic data for MSR development. This work offers a validated methodology for DSC measurement of isobaric specific heat capacity in Molten Salt Reactor fuels, providing essential data for the development of MSR technology. The results further emphasize the necessity for more investigation into the thermal and chemical properties of various salt compositions in various operational scenarios.

I Reattori a Sali Fusi (MSR) sono una promettente tecnologia di quarta generazione per l’energia nucleare di prossima generazione, grazie alle loro intrinseche caratteristiche di sicurezza e al grande potenziale riguardo l’alta efficienza termica. Dati accurati sulle proprietà termofisiche, come la capacità termica specifica a pressione costante, sono fondamentali per la progettazione e l’analisi della sicurezza di questi reattori. Questo lavoro presenta lo sviluppo e la validazione di un metodo rigoroso per misurare la capacità termica specifica a pressione costante dei combustibili per reattori a sali fusi sia in fase solida che liquida, utilizzando la Calorimetria Differenziale a Scansione (DSC) NETZSCH. La ricerca prevede la preparazione di cloruri e fluoruri, sia inattivi sia radioattivi, con procedure di misura standardizzate sulla tecnica DSC. È stata sviluppata una nuova tecnica di preparazione dei campioni per garantire la coerenza e l’accuratezza delle misurazioni. Il metodo è stato dapprima convalidato utilizzando componenti inattivi, dimostrando un’ elevata precisione e ripetibilità e contribuendo alla convalida dei dati in letteratura. Le misure successive sono state condotte su una varietà di campioni di sali di alogeni, sia inattivi sia radioattivi, per ampliare il database esistente in letteratura e fornire dati termodinamici fondamentali per lo sviluppo del Reattore a Sali Fusi. Questo lavoro propone una metodologia convalidata per la misurazione DSC della capacità termica specifica a pressione costante dei combustibili per reattori a sali fusi, fornendo dati essenziali per lo sviluppo della tecnologia MSR. I risultati sottolineano ulteriormente la necessità di ulteriori indagini sulle proprietà termiche e chimiche di varie composizioni di sale in vari scenari operativi.