stringtranslate.com

ФЛиБе

Течет расплавленный FLiBe; Зеленый оттенок этого образца обусловлен растворенным тетрафторидом урана .

FLiBe — это название расплавленной соли , полученной из смеси фторида лития (LiF) и фторида бериллия ( BeF 2 ). Это одновременно теплоноситель ядерного реактора и растворитель воспроизводящего или делящегося материала. Он служил обеим целям в эксперименте с реактором на расплавленной соли (MSRE) в Национальной лаборатории Ок-Ридж .

Молярная смесь 2∶1 образует стехиометрическое соединение Li 2 [BeF 4 ] (тетрафторбериллат лития), температура плавления которого составляет 459 °C (858 °F), температура кипения 1430 °C (2610 °F), и плотность 1,94 г/см 3 (0,070 фунта/куб.дюйм).

Его объемная теплоемкость ,4540 кДж/(м3·К) , что аналогично воде, более чем в четыре раза больше, чем у натрия, и более чем в 200 раз больше, чем у гелия при типичных условиях реактора. [1] Его удельная теплоемкость равна2414,17 Дж /(кг.К) или около60% от воды. [2] 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. [3] [4] [5]

Эвтектическая смесь немного превышает50% BeF 2 и имеет температуру плавления 360 °C (680 °F). [6] Эта смесь никогда не использовалась на практике из-за резкого увеличения вязкости, вызванного добавлением BeF 2 в эвтектическую смесь. BeF 2 , который ведет себя как стекло, является жидким только в смесях солей, содержащих достаточный молярный процент основания Льюиса . Основания Льюиса, такие как фториды щелочных металлов, отдают ионы фтора бериллию, разрушая стеклообразные связи, которые увеличивают вязкость. В FLiBe фторид бериллия способен связывать два фторид-иона из двух фторидов лития в жидком состоянии, превращая его в тетрафторбериллат- ион [BeF 4 ] 2- . [7]

Химия

Химия FLiBe и других фторидных солей уникальна из-за высоких температур, при которых происходят реакции, ионной природы соли и обратимости многих реакций. На самом базовом уровне FLiBe плавится и комплексуется через

2 LiF (т) + BeF 2 (т) → 2 Li + (л) + [BeF 4 ]−2(л) .

Эта реакция происходит при первоначальном 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 посредством реакций

BeF 2 (ж) + 2 H 2 O (г) ⇌ Be(OH) 2 (г) + 2 HF (г) .

и

BeF 2 (ж) + H 2 O(г) ⇌ BeO (г) + 2 HF(г) .

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

2 HF(г) + 2 е - → 2 F - + ЧАС 2 (г) .

установлено на нулевое напряжение. Эта реакция оказывается удобной в лабораторных условиях и может быть использована для обнуления соли путем барботирования через соль смеси фтороводорода и водорода в соотношении 1:1. Иногда реакция:

NiF 2 (d) + 2 e − → Ni (c) + 2 F − .

используется в качестве ссылки. Независимо от того, где установлен ноль, все остальные реакции, происходящие 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 реакцией. Поэтому важно сохранять окислительно-восстановительный потенциал соли вдали от нежелательных реакций. Например, в контейнерном сплаве никеля, железа и хрома вызывающими беспокойство реакциями будут фторирование контейнера и последующее растворение этих фторидов металлов. Растворение фторидов металлов затем изменяет окислительно-восстановительный потенциал. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между металлами и солью. Очень важно, чтобы окислительно-восстановительный потенциал соли находился как можно дальше от реакций фторирования, а 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, напряжение реакции которых далеко от окислительно-восстановительного потенциала соли в худшем случае. Некоторые из этих материалов — вольфрам, углерод, молибден, платина, иридий и никель. Из всех этих материалов только два являются доступными и свариваемыми: никель и молибден. Эти два элемента были выбраны в качестве основной части Hastelloy-N , материала MSRE.

Изменение окислительно-восстановительного потенциала FLiBe можно осуществить двумя способами. Во-первых, соль можно вытеснить, физически приложив к соли напряжение с помощью инертного электрода. Второй, более распространенный способ — провести химическую реакцию в соли, которая происходит при желаемом напряжении. Например, окислительно-восстановительный потенциал можно изменить, барботируя в соль водород и фторид водорода или погружая в соль металл.

охлаждающая жидкость

В виде расплавленной соли он может служить хладагентом , который можно использовать при высоких температурах без достижения высокого давления пара . Примечательно, что его оптическая прозрачность позволяет легко визуально контролировать все, что погружено в охлаждающую жидкость, 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 низкую растворимость в воде. [8]

Очищенный FLiBe. Первоначально работал во вторичном контуре MSRE.

Ядерные свойства

Низкий атомный вес лития , бериллия и, в меньшей степени, фтора делает FLiBe эффективным замедлителем нейтронов . Поскольку природный литий содержит ~7,5% лития-6 , который имеет тенденцию поглощать нейтроны , производя альфа-частицы и тритий , почти чистый литий-7 используется, чтобы придать FLiBe небольшое сечение поглощения нейтронов ; [9] например, вторичный охладитель MSRE на 99,993% состоял из лития-7 FLiBe. [10] Когда Li-7 действительно поглощает нейтрон, он почти мгновенно распадается посредством последовательного бета- , а затем альфа-распада на бета-частицу и две альфа-частицы.

Бериллий иногда распадается на две альфа-частицы и два нейтрона при попадании быстрого нейтрона . Фтор имеет немаловажное сечение реакций (α,n), что необходимо учитывать при расчетах нейтронофизики . [11]

Приложения

В реакторе с жидким фторидом тория (LFTR) он служит растворителем для фторидных солей делящегося и воспроизводящего материала , а также замедлителем и теплоносителем.

Некоторые другие конструкции (иногда называемые реакторами с жидкосолевым охлаждением) используют его в качестве теплоносителя, но имеют обычное твердое ядерное топливо вместо его растворения в расплавленной соли.

Жидкая соль FLiBe также была предложена в качестве жидкой среды для производства трития и охлаждения в термоядерном реакторе ARC — компактном токамаке , разработанном Массачусетским технологическим институтом. [12]

Смотрите также

Рекомендации

  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 УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕАКТОРА (AHTR), Ingersoll. , Парма, Форсберг и Ренье, ORNL и Сандийская национальная лаборатория
  2. ^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/STI/STI/5698704.pdf Инженерная база данных теплофизических и термохимических свойств жидкой соли.
  3. ^ Тот, LM (1967). Контейнеры для спектроскопии расплавленного фторида.
  4. ^ Филип Янг, Джек; Мамантов, Глеб; Уайтинг, Флорида (1967). «Одновременная вольтамперометрическая генерация 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. дои : 10.1021/j100862a055.
  5. ^ Янг, JP; Уайт, Дж. К. (1960). «Спектры поглощения расплавленных фторидных солей. Растворы ионов нескольких металлов в расплавленном фториде лития-фториде натрия-фториде калия». Аналитическая химия . 32 (7): 799–802. дои : 10.1021/ac60163a020.
  6. ^ Уильямс, Д.Ф., Тот, Л.М., и Кларно, К.Т. (2006). Оценка потенциальных теплоносителей на основе расплавленных солей для перспективного высокотемпературного реактора (AHTR). Тех. Представитель ORNL/TM-2006/12, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  7. ^ Тот, LM; Бейтс, Дж. Б.; Бойд, GE (1973). «Спектры комбинационного рассеяния света Be2F73- и более высоких полимеров фторидов бериллия в кристаллическом и расплавленном состоянии». Журнал физической химии . 77 (2): 216–221. дои : 10.1021/j100621a014.
  8. ^ «Инженерная база данных теплофизических и термохимических свойств жидкой соли» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2014 г.
  9. ^ «Горох и пляжный мяч - энергия из тория». 28 сентября 2010 г.
  10. ^ «На чешском языке: ORNL является частью пакта о ядерных исследованиях и разработках» . Архивировано из оригинала 22 апреля 2012 г. Проверено 13 мая 2012 г.
  11. ^ https://www.oecd-nea.org/janisweb/book/alphas/F19/MT4/renderer/226 [ постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ Сорбом, Б.Н. (2015). «ARC: компактная термоядерная научная установка с сильным полем и демонстрационная электростанция со съемными магнитами». Термоядерная инженерия и дизайн . 100 : 378–405. arXiv : 1409.3540 . doi :10.1016/j.fusengdes.2015.07.008. S2CID  1258716.