Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 на расплавленной соли (MSRE) в Национальной лаборатории Ок-Ридж .

Смесь 2: 1 образует стехиометрическое соединение Li 2 BeF 4 , которое имеет температуру 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 стандартного значения, принятого 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. [1] Его внешний вид от белого до прозрачного, с кристаллическими зернами в твердом состоянии, которые при плавлении превращаются в совершенно 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. [2][3] [4]

Эвтектической смеси немного больше , чем 50% BeF 2 и имеет температуру плавления 360 ° С. [5] 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 бериллий ионы фтора, разрывая стекловидные связи, увеличивающие вязкость. В FLiBe фторид бериллия способен отделять два фторид-иона от двух фторидов лития в жидком состоянии, превращая его в тетрафторбериллат-ион BeF 4 -2.. [6]

Химия [ править ]

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.

.

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

.

и

.

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 фтороводород. 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

.

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:

.

используется в качестве справки. 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 поддерживать окислительно-восстановительный потенциал соли как можно дальше 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 соль '• окислительно-восстановительный потенциал должен находиться 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 - это 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 доступны и пригодны для сварки только два: 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 можно изменить путем барботирования водорода и фтороводорода в соль или путем погружения металла в соль.

Охлаждающая жидкость [ править ]

В качестве солевого расплава он может служить хладагентом, который можно использовать при высоких температурах без достижения высокого давления пара . В частности, 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. [7]

Очищенный FLiBe. Первоначально выполнялся во вторичном цикле MSRE.

Ядерные свойства [ править ]

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 ; [8] например, вторичный хладагент MSRE содержал 99,993% лития-7 FLiBe. [9]

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

Приложения [ править ]

В реакторе с жидким фторидом тория (LFTR) он служит растворителем для фторидных солей делящегося и воспроизводящего материала , 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 расплаве соли используется обычное твердое ядерное топливо .

Жидкая соль FLiBe также была предложена в качестве жидкого бланкета для производства и охлаждения трития в термоядерном реакторе ARC , компактной конструкции токамака от MIT. [10]

См. Также [ править ]

  • FLiNaK
  • Реактор с расплавленной солью
  • Реактор с жидким фторидом тория

Ссылки [ править ]

  1. ^ http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/122842.pdf Архивировано 13 января 2010 г.на Wayback Machine. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОБЛЕМЫ ДЛЯ УЛУЧШЕННОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕАКТОРА (AHTR), Ingersoll , Парма, Форсберг и Ренье, ORNL и Сандийская национальная лаборатория
  2. Перейти ↑ Toth, LM (1967). Контейнеры для спектроскопии расплавленных фторидов.
  3. ↑ Филлип Янг, Джек; Мамантов, Глеб; Whiting, FL (1967). «Одновременное вольтамперометрическое генерирование урана (III) и спектрофотометрическое наблюдение системы уран (III) -уран (IV) в расплаве фторида лития-фторида берилла-фторида циркония». Журнал физической химии . 71 (3): 782–783. DOI : 10.1021 / j100862a055 .
  4. ^ Янг, JP; Уайт, JC (1960). «Спектры поглощения расплавленных фторидных солей. Растворы нескольких ионов металлов в расплаве фторид лития-фторид натрия-фторид калия». Аналитическая химия . 32 (7): 799–802. DOI : 10.1021 / ac60163a020 .
  5. ^ Williams, DF, Toth, LM, и Clarno, KT (2006). Оценка возможных жидких солевых теплоносителей для усовершенствованного высокотемпературного реактора (AHTR). Tech. Представитель ORNL / TM-2006/12, Национальная лаборатория Окриджа.
  6. ^ Тот, LM; Бейтс, JB; Бойд, GE (1973). «Рамановские спектры Be2F73- и выше полимеров фторидов бериллия в кристаллическом и расплавленном состоянии». Журнал физической химии . 77 (2): 216–221. DOI : 10.1021 / j100621a014 .
  7. ^ Инженерная база данных по теплофизическим и термохимическим свойствам жидкой соли, заархивированная 8 августа 2014 г. на Wayback Machine
  8. ↑ Горох и пляжный мяч
  9. ^ «По-чешски: ORNL - часть пакта о ядерных исследованиях и разработках» . Архивировано из оригинала на 2012-04-22 . Проверено 13 мая 2012 .
  10. ^ Sorbom, BN (2015). «ARC: компактная высокопольная установка для термоядерной ядерной науки и демонстрационная энергетическая установка со съемными магнитами». Fusion Engineering и дизайн . 100 : 378–405. arXiv : 1409,3540 . DOI : 10.1016 / j.fusengdes.2015.07.008 . S2CID 1258716 .