FLiBe - FLiBe

Расплавленный FLiBe течет; Зеленый оттенок этого образца обусловлен растворенным тетрафторидом урана .

FLiBe - это расплавленная соль, состоящая из смеси фторида лития (LiF) и фторида бериллия (BeF ₂ ). Это одновременно теплоноситель ядерного реактора и растворитель для фертильного или делящегося материала. Он служил обеим целям в эксперименте с реактором с расплавленной солью (MSRE) в Национальной лаборатории Ок-Ридж .

Смесь 2: 1 образует стехиометрическое соединение Li ₂ BeF ₄ , которое имеет точку плавления 459 ° C, точку кипения 1430 ° C и плотность 1,94 г / см ³ .

Его объемная теплоемкость аналогична теплоемкости воды (4540 кДж / м ³ K = 1085 кал / м ³ K: на 8,5% больше, чем стандартное значение, рассматриваемое для воды при комнатной температуре), более чем в четыре раза больше, чем у натрия, и более более чем в 200 раз больше, чем гелий в типичных условиях реактора. Его внешний вид от белого до прозрачного, с кристаллическими зернами в твердом состоянии, которые при плавлении превращаются в полностью прозрачную жидкость. Однако растворимые фториды, такие как UF ₄ и NiF ₂ , могут резко изменить цвет соли как в твердом, так и в жидком состоянии. Это сделало спектрофотометрию жизнеспособным инструментом анализа, и она широко использовалась во время операций MSRE.

Эвтектической смеси немного больше , чем 50% BeF ₂ и имеет температуру плавления 360 ° С. Эта смесь никогда не использовалась на практике из-за сильного увеличения вязкости, вызванного добавлением BeF ₂ в эвтектическую смесь. BeF ₂ , который ведет себя как стекло, является жидкостью только в солевых смесях, содержащих достаточный молярный процент основания Льюиса . Основания Льюиса, такие как фториды щелочных металлов, будут отдавать ионы фтора бериллию, разрушая стекловидные связи, которые увеличивают вязкость. В FLiBe фторид бериллия способен изолировать два иона фтора от двух фторидов лития в жидком состоянии, превращая его в ион тетрафторбериллата BeF ₄ ^-2 .

Химия

Химический состав FLiBe и других фторидных солей уникален из-за высоких температур, при которых происходят реакции, ионной природы соли и обратимости многих реакций. На самом базовом уровне FLiBe плавится и образует комплекс.

${\ Displaystyle {\ ce {2LiF (s) + BeF2 (s) -> 2Li + (l) + BeF4 ^ {- 2} (l)}}}$.

Эта реакция происходит при начальном плавлении. Однако, если компоненты подвергаются воздействию воздуха, они впитывают влагу. Эта влага играет отрицательную роль при высокой температуре, превращая BeF ₂ и, в меньшей степени, LiF, в оксид или гидроксид в результате реакций

${\ displaystyle {\ ce {BeF2 (l) + 2H2O (g) <=> Be (OH) 2 (d) + 2HF (d)}}}$.

а также

${\ displaystyle {\ ce {BeF2 (l) + H2O (g) <=> Be (O) (d) + 2HF (d)}}}$.

Хотя BeF ₂ является очень стабильным химическим соединением, образование оксидов, гидроксидов и фтороводорода снижает стабильность и инертность соли. Это приводит к коррозии. Важно понимать, что все растворенные частицы в этих двух реакциях вызывают коррозию, а не только фтористый водород. Это связано с тем, что все растворенные компоненты изменяют восстановительный потенциал или окислительно-восстановительный потенциал. Окислительно-восстановительный потенциал - это врожденное и измеримое напряжение в соли, которое является основным индикатором потенциала коррозии в соли. Обычно реакция

${\ Displaystyle {\ ce {HF (г) + е- -> F- + 1/2 H2 (г)}}}$.

установлен на ноль вольт. Эта реакция оказывается удобной в лабораторных условиях и может использоваться для обнуления соли путем барботирования смеси фтороводорода и водорода в соотношении 1: 1 через соль. Иногда реакция:

${\ Displaystyle {\ ce {NiF2 (d) + 2e- -> Ni (c) + 2F-}}}$.

используется как ссылка. Независимо от того, где установлен ноль, все другие реакции, которые происходят в соли, будут происходить при предсказуемых, известных напряжениях относительно нуля. Следовательно, если окислительно-восстановительный потенциал соли близок к напряжению конкретной реакции, можно ожидать, что эта реакция будет преобладающей. Следовательно, важно держать окислительно-восстановительный потенциал соли подальше от нежелательных реакций. Например, в контейнере из сплава никеля, железа и хрома вызывающими озабоченность реакциями могут быть фторирование контейнера и последующее растворение этих фторидов металлов. Затем растворение фторидов металлов изменяет окислительно-восстановительный потенциал. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между металлами и солью. Важно, чтобы окислительно-восстановительный потенциал соли сохранялся как можно дальше от реакций фторирования, и чтобы металлы, контактирующие с солью, находились как можно дальше от окислительно-восстановительного потенциала соли, чтобы предотвратить чрезмерную коррозию.

Самый простой способ предотвратить нежелательные реакции - выбрать материалы, реакционные напряжения которых далеки от окислительно-восстановительного потенциала соли в худшем случае соли. Некоторые из этих материалов - вольфрам, углерод, молибден, платина, иридий и никель. Из всех этих материалов только два доступны по цене и пригодны для сварки: никель и молибден. Эти два элемента были выбраны в качестве основной части Hastelloy-N , материала MSRE.

Изменить окислительно-восстановительный потенциал флиба можно двумя способами. Во-первых, соль можно нагнетать путем физического приложения напряжения к соли с помощью инертного электрода. Второй, более распространенный способ - провести химическую реакцию в соли, которая протекает при желаемом напряжении. Например, окислительно-восстановительный потенциал может быть изменен путем барботирования водорода и фтороводорода в соль или путем погружения металла в соль.

Охлаждающая жидкость

В качестве солевого расплава он может служить хладагентом, который можно использовать при высоких температурах без достижения высокого давления пара . Примечательно, что его оптическая прозрачность позволяет легко визуально осмотреть все, что находится в охлаждающей жидкости, а также любые растворенные в ней примеси. В отличие от металлов натрия или калия , которые также можно использовать в качестве высокотемпературных хладагентов, он не вступает в бурную реакцию с воздухом или водой. Соль FLiBe имеет низкую гигроскопичность и растворимость в воде.

Очищенный FLiBe. Первоначально выполнялся во вторичном цикле MSRE.

Ядерные свойства

Ампулы FLiBe с тетрафторидом урана-233 : затвердевшие куски контрастируют с расплавленной жидкостью.

С низким атомным весом из лития , бериллия и в меньшей степени фтор марки FLiBe эффективный замедлитель нейтронов . Поскольку природный литий содержит ~ 7,5% лития-6 , который имеет тенденцию поглощать нейтроны, производя альфа-частицы и тритий , почти чистый литий-7 используется для придания FLiBe небольшого сечения поглощения нейтронов ; например, охлаждающая жидкость вторичного контура MSRE содержала 99,993% лития-7 FLiBe.

Бериллий иногда распадается на две альфа-частицы и два нейтрона под действием быстрого нейтрона .

Приложения

В реакторе с жидким фторидом тория (LFTR) он служит растворителем для фторидных солей делящихся и воспроизводящих материалов , а также замедлителем и теплоносителем.

В некоторых других конструкциях (иногда называемых реакторами с солевым охлаждением) его используют в качестве теплоносителя, но вместо его растворения в солевом расплаве используется обычное твердое ядерное топливо .

Жидкая соль FLiBe была также предложена в качестве жидкого бланкета для производства и охлаждения трития в термоядерном реакторе ARC - компактной конструкции токамака, разработанной Массачусетским технологическим институтом.

Смотрите также

• FLiNaK
• Реактор на расплавленных солях
• Реактор с жидким фторидом тория

использованная литература