stringtranslate.com

Сплав натрия и калия

Сплав натрия и калия , в просторечии называемый NaK (обычно произносится как / n æ k / ), [2] представляет собой сплав щелочных металлов натрия (Na, атомный номер 11) и калия (K, атомный номер 19), который обычно находится в жидком состоянии при комнатной температуре. [3] Доступны различные коммерческие марки. NaK очень реактивен с водой (как и его составляющие элементы) и может загореться при контакте с воздухом , поэтому с ним следует обращаться с особыми мерами предосторожности.

Характеристики

Диаграмма состояния твердого тела и жидкости для натрия и калия. [4] Ось X — массовые проценты.

Физические свойства

NaK, содержащий от 40% до 90% калия по массе, является жидким при комнатной температуре . Эвтектическая смесь состоит из 77% калия и 23% натрия по массе (NaK-77), и является жидкостью от −12,6 до 785 °C (от 9,3 до 1445,0 °F), и имеет плотность 0,866 г/см3 при 21 °C (70 °F) и 0,855 г/см3 при 100 °C (212 °F), что делает его менее плотным, чем вода. [3] Он очень реакционноспособен с водой и обычно хранится под гексаном или другими углеводородами, или под инертным газом (обычно сухим азотом или аргоном [5] ), если требуются высокая чистота и низкие уровни окисления.

Твердое соединение Na2K существует при низких температурах и содержит 46 процентов калия по массе.

NaK имеет очень высокое поверхностное натяжение , что заставляет большие его количества стягиваться в форму, похожую на булочку . Его удельная теплоемкость составляет 982 Дж/(кг⋅К), что составляет примерно четверть от удельной теплоемкости воды, но теплопередача выше по температурному градиенту из-за более высокой теплопроводности. [6]

Химические свойства

При хранении на воздухе он образует желтое покрытие из супероксида калия и может воспламениться. Этот супероксид взрывоопасно реагирует с водой и органикой. NaK недостаточно плотный, чтобы тонуть в большинстве углеводородов , но тонет в более легком минеральном масле . Хранить таким образом небезопасно, если образовался супероксид. 8 декабря 1999 года на объекте Y-12 в Оук-Ридже произошел большой взрыв , когда очищенный после случайного разлива и неправильно обработанный минеральным маслом NaK был поцарапан металлическим инструментом. [7] Жидкий сплав также разрушает ПТФЭ («тефлон»). [8] Сплав натрия и калия полимеризует диметилдихлорсилан в полисиланы с остовом Si-Si и метильными радикалами, в первую очередь додекаметилциклогексасилан . [9]

Другие сплавы с низкими температурами плавления

Другие сплавы с низкими температурами плавления: Cs 77 K 23 при −37,5 °C (−35,5 °F), Cs 19 Na при −30 °C (−22 °F) и Na 2 Rb 23 при −5 °C (23 °F). Сплав, состоящий из 40,8 % цезия, 11,8 % натрия и 47,4 % калия, имеет температуру плавления −79,4 °C (−110,9 °F). [ необходимо уточнение ]

Использование

Встряхните расплавленный сплав натрия и калия.

Охлаждающая жидкость

NaK использовался в качестве теплоносителя в экспериментальных ядерных реакторах на быстрых нейтронах . В отличие от коммерческих установок, их часто останавливают и выгружают. Использование свинца или чистого натрия, других материалов, используемых в практических реакторах, потребовало бы постоянного нагрева для поддержания теплоносителя в жидком состоянии. Использование NaK позволяет преодолеть это. Быстрый реактор Dounreay является примером.

Первый ядерный реактор в космосе, [10] [11] экспериментальный спутник США SNAP-10A , использовал NaK в качестве охладителя. NaK циркулировал через активную зону и термоэлектрические преобразователи с помощью жидкометаллического насоса постоянного тока . [12] Спутник был запущен в 1965 году, [13] и по состоянию на 2022 год является единственной энергетической системой на основе реактора деления, запущенной в космос Соединенными Штатами. [14]

Советские радиолокационные спутники RORSAT работали на реакторе БЭС-5 , охлаждаемом NaK. [15] [16] Помимо широкого диапазона температур в жидком состоянии, NaK имеет очень низкое давление паров , что важно в условиях вакуума космоса .

Непреднамеренным последствием использования в качестве охладителя на орбитальных спутниках стало создание дополнительного космического мусора . Охлаждающая жидкость NaK вытекла из ряда спутников, включая Kosmos 1818 и Kosmos 1867. Охлаждающая жидкость самостоятельно формируется в капли натрия-калия размером до нескольких сантиметров. [17] Эти объекты являются космическим мусором. [18]

Кулер процессора Danamics LMX Superleggera использует NaK для переноса тепла от процессора к его охлаждающим ребрам. [19]

Осушитель

При контакте с водой образуется водород . [20] Поэтому сплавы натрия и калия используются в качестве осушителей при осушке растворителей перед дистилляцией .

Гидравлическая жидкость

Эвтектический NaK (NaK-77, сплав 77% калия и 23% натрия по массе) может использоваться в качестве гидравлической жидкости в условиях высоких температур и высокой радиации в диапазоне температур от −12 до 760 °C (от 10 до 1400 °F). Его объемный модуль упругости при 538 °C (1000 °F) составляет 2,14 ГПа, что выше, чем у гидравлического масла при комнатной температуре. Его смазывающая способность плохая, поэтому насосы прямого вытеснения непригодны, и приходится использовать центробежные насосы. Добавление цезия смещает полезный температурный диапазон до −71 до 704 °C (от −96 до 1299 °F). NaK-77 был испытан в гидравлических и жидкостных системах для сверхзвуковой маловысотной ракеты . [21] NaK также может использоваться для передачи сил внутри высокотемпературных датчиков давления в качестве альтернативы ртути. [22]

Химические методы

NaK может использоваться в качестве катализатора в некоторых реакциях, таких как изобутилбензол , предшественник ибупрофена . [23]

Синтез и производство

В промышленных масштабах NaK производится методом реактивной дистилляции . [24]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Foust, OJ; Комиссия по атомной энергии США (1972). Справочник по инженерии натрий-NaK. Нью-Йорк: Gordon & Breach. ISBN 978-0-677-03030-2. Получено 27 июня 2018 г.
  2. ^ Хоутон, Рик, Экстренная характеристика неизвестных материалов. Архивировано 21 декабря 2017 г. в Wayback Machine , CRC Press, 2007 г., стр. 89.
  3. ^ ab "Натрий-калиевый сплав (NaK)" (PDF) . BASF . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г. . Получено 2009-03-05 .
  4. ^ GLCM ван Россен, Х. ван Блейсвейк: Über das Zustandsdiagramm der Kalium-Natriumlegierungen , в: Z. Anorg. хим. , 1912 , 74 , с. 152–156.
  5. ^ Strem Chemical. "MSDS". Архивировано из оригинала 25 ноября 2014 года . Получено 4 апреля 2012 года .
  6. ^ "Danamics LM10 - Жидкий металл подвергается испытанию". NordicHardware. 2008-12-04. стр. 2. Архивировано из оригинала 2009-03-26 . Получено 2010-01-10 .
  7. ^ "Расследование аварии Y-12 NaK". Министерство энергетики США. Февраль 2000 г. Архивировано из оригинала 28.05.2010.
  8. ^ Клинкрад, Хайнер (октябрь 2009 г.). Справочник по жидким металлам. стр. 97. Архивировано из оригинала 21.12.2017.
  9. ^ Уэст, Роберт; Бро, Лоуренс; Войновски, Вислав (2007). «Додекаметилциклогексасилан». Неорганические синтезы : 265–268. doi :10.1002/9780470132500.ch62. ISBN 9780470132500.
  10. ^ «История американских астроядерных реакторов, часть 1: SNAP-2 и 10A», Beyond NERVA , 3 апреля 2019 г. Получено 25 апреля 2024 г.
  11. ↑ Эндрю ЛеПейдж, «Первый ядерный реактор на орбите», Drew Ex Machina, 3 апреля 2015 г. Получено 25 апреля 2024 г.
  12. ^ Шмидт, ГЛ (сентябрь 1988 г.). Программа испытаний SNAP 10A . Rockwell International, Канога-Парк, Калифорния. DCN: SP-100-XT-0002.
  13. ^ "Реактор отправляется в космос". The Canberra Times . Том 39, № 11, 122. Австралийская столичная территория, Австралия. 5 апреля 1965 г. стр. 1. Получено 25 апреля 2024 г. – через Национальную библиотеку Австралии.
  14. ^ NASA Utilization of Space Nuclear Systems for Robotic and Human Exploration Missions (PDF) (Отчет). NASA. Июль 2022 г. стр. 4. Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2023 г. Получено 25 апреля 2024 г.
  15. ^ "Old Nuclear-Powered Soviet Satellite Acts Up". Space.com . 15 января 2009 г. Архивировано из оригинала 23 августа 2014 г. Получено 26 августа 2014 г.
  16. ^ Клинкрад, Хайнер (23 февраля 2006 г.). Космический мусор: модели и анализ рисков. Спрингер. п. 83. ИСБН 978-3-540-25448-5. Архивировано из оригинала 2017-12-21.
  17. ^ C. Wiedemann et al, «Распределение размеров капель NaK для MASTER-2009», Труды 5-й Европейской конференции по космическому мусору , 30 марта — 2 апреля 2009 г. (ESA SP-672, июль 2009 г.)
  18. ^ А. Росси и др., «Влияние капель NaK спутника RORSAT на долгосрочную эволюцию популяции космического мусора». Архивировано 10 марта 2016 г. в Wayback Machine , Пизанский университет, 1997 г.
  19. ^ "Обзор охладителя Danamics LMX Superleggera". bit-tech.net . 14 мая 2010 г. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 г. Получено 11 февраля 2014 г.
    "Обзор Danamics LMX Superleggera - Liquid Metal?". guru3D.com . 8 июня 2010 г. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 г. Получено 11 февраля 2014 г.
  20. ^ Клелл, Манфред; Эйхльседер, Хельмут; Траттнер, Александр (2018), «Speicherung und Transport», Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik , Springer Fachmedien Wiesbaden, стр. 109–139, doi : 10.1007/978-3-658-20447-1_5, ISBN 978-3-658-20446-4, получено 2020-06-10
  21. ^ Вернон Р. Шмитт, 2002, Управляемые бомбы и управляемые ракеты времен Второй мировой войны и Холодной войны, ISBN 0768009138 
  22. ^ "Преобразователи и передатчики давления расплава NaK". www.mpipressure.com . Получено 23 июля 2022 г. .
  23. ↑ Патент США № 2995610, «Получение изобутилбензола». Переуступлен 8 августа 1961 г. компании Standard Oil Co.
  24. ^ Джексон, CB; Вернер, RC (1957-01-01). "18". Производство калия и NaK . Достижения в химии. Том 19. С. 169–173. doi :10.1021/ba-1957-0019.ch018. ISBN 9780841221666.