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 ( BeF2 ). Это одновременно и теплоноситель ядерного реактора , и растворитель для 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 ] (тетрафторобериллат лития), температура плавления которого составляет 459 °C (858 °F), температура кипения — 1430 °C (2610 °F), а плотность — 1,94 г/см 3 (0,070 фунта/куб. дюйм).

Его объемная теплоемкость , 4540 кДж/(м3 · К), близка к теплоемкости воды, 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 составляет 2414,17 Дж/(кг·К), или около 60% от теплоемкости воды. [2] Его внешний вид от белого до прозрачного, с кристаллическими зернами в твердом состоянии, превращающимися в совершенно прозрачную жидкость при плавлении. Однако растворимые фториды, такие как UF4 и NiF2 , могут резко изменить цвет соли как в твердом, так и в жидком состоянии. Это сделало спектрофотометрию жизнеспособным инструментом анализа, и он широко использовался во время операций MSRE. [ 3] [4] [5]

Эвтектическая смесь содержит немного больше 50% BeF2 и имеет температуру плавления 360 °C (680 °F). [6] Эта смесь никогда не использовалась на практике из-за подавляющего увеличения вязкости, вызванного добавлением BeF2 в эвтектическую смесь. BeF2 , который ведет себя как стекло, является жидким только в солевых смесях, содержащих достаточный молярный процент основания Льюиса . Основания Льюиса, такие как фториды щелочных металлов, будут отдавать ионы фтора бериллию, разрушая стеклообразные связи, которые увеличивают вязкость. В FLiBe фторид бериллия способен изолировать два иона фтора из двух фторидов лития в жидком состоянии, превращая его в ион тетрафторобериллата [BeF4 ] 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 образует комплексы через

2 LiF (т) + BeF2 ( т ) → 2 Li + (ж) + [BeF4 ] 2− ( ж) .

Эта реакция происходит при первоначальном плавлении. Однако, если компоненты подвергаются воздействию воздуха, они будут поглощать влагу. Эта влага играет отрицательную роль при высокой температуре, превращая BeF2 и в меньшей степени LiF в оксид или гидроксид посредством реакций

BeF2 (ж) + 2H2O ( г ) ⇌ Be(OH) 2 (г) + 2HF ( г ) .

и

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

Хотя BeF2 является очень стабильным химическим соединением, образование оксидов, гидроксидов и фтороводорода снижает стабильность и инертность соли. Это приводит к коррозии. Важно понимать, что все растворенные виды в этих двух реакциях вызывают коррозию, а не только фтороводород. Это происходит потому, 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 коррозионного потенциала в соли. Обычно реакция

2HF(г) + 2e − → 2F − + H 2 ( г) .

устанавливается на нулевое напряжение. Эта реакция оказывается удобной в лабораторных условиях и может использоваться для установки соли на ноль путем барботирования смеси фтористого водорода и водорода в соотношении 1:1 через соль. Иногда реакция:

NiF 2 (d) + 2 e − → Ni (c) + 2 F − .

используется в качестве эталона. 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 определенной реакции, можно ожидать, что эта реакция будет преобладающей реакцией. Поэтому важно держать окислительно-восстановительный потенциал соли подальше от нежелательных реакций. Например, в сплаве контейнера из никеля, железа и хрома, реакциями, вызывающими беспокойство, будут 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 держался 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 — выбрать материалы, чьи напряжения реакции далеки 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 доступны и свариваемы: 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 принудительно применить, физически прикладывая напряжение к соли с помощью инертного электрода. Второй, более распространенный способ, заключается в проведении химической реакции в соли, которая происходит при желаемом напряжении. Например, окислительно-восстановительный потенциал можно изменить, барботируя водород и фтористый водород в соль или погружая металл в соль.

Охлаждающая жидкость

Как расплавленная соль она может служить охлаждающей жидкостью , которую можно использовать при высоких температурах, не достигая высокого давления паров . Примечательно, что ее оптическая прозрачность позволяет легко визуально осматривать все, что погружено в охлаждающую жидкость, а также любые растворенные в ней примеси. В отличие от натрия или калия , которые также могут использоваться в качестве высокотемпературных охлаждающих жидкостей, она не вступает в бурную реакцию с воздухом или водой. Соль FLiBe имеет низкую гигроскопичность и растворимость в воде. [8]

Очищенный FLiBe. Первоначально запускался 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 для придания FLiBe малого сечения поглощения нейтронов ; [9] например, вторичный теплоноситель MSRE состоял из 99,993% лития-7 FLiBe. [10] Когда Li-7 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 столкновении с быстрым нейтроном . Фтор имеет существенное поперечное сечение для реакций (α,n), которое необходимо учитывать при расчете нейтронной физики . [11]

Приложения

В жидкофторидном ториевом реакторе (LFTR) он служит растворителем для фторидных солей делящегося и воспроизводящего материала , а также замедлителем и теплоносителем.

В некоторых других конструкциях (иногда называемых реакторами с охлаждением расплавленной солью) она используется в качестве теплоносителя, но в них используется обычное твердое ядерное топливо, а не растворяется в расплавленной соли.

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/122842.pdf Архивировано 13 января 2010 г. на Wayback Machine ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ АКТИВНОЙ ЧАСТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РЕАКТОРА (AHTR), Ингерсолл, Парма, Форсберг и Ренье, ORNL и Национальная лаборатория Сандия
  2. ^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/STI/STI/5698704.pdf Инженерная база данных теплофизических и термохимических свойств жидких солей
  3. ^ Тот, Л. М. (1967). Контейнеры для спектроскопии расплавленных фторидов.
  4. ^ Филлип Янг, Джек; Мамантов, Глеб; Уайтинг, FL (1967). «Одновременное вольтамперометрическое получение урана(III) и спектрофотометрическое наблюдение системы уран(III)-уран(IV) в расплавленном фториде лития-фториде бериллия-фториде циркония». Журнал физической химии . 71 (3): 782–783. doi :10.1021/j100862a055.
  5. ^ Young, JP; White, JC (1960). «Спектры поглощения расплавленных фторидных солей. Растворы ионов нескольких металлов в расплавленном фториде лития-фториде натрия-фториде калия». Аналитическая химия . 32 (7): 799–802. doi :10.1021/ac60163a020.
  6. ^ Уильямс, Д. Ф., Тот, Л. М. и Кларно, К. Т. (2006). Оценка потенциальных теплоносителей на основе расплавленных солей для усовершенствованного высокотемпературного реактора (AHTR). Технический отчет ORNL/TM-2006/12, Национальная лаборатория Ок-Ридж.
  7. ^ Toth, LM; Bates, JB; Boyd, GE (1973). «Рамановские спектры Be2F73- и более высоких полимеров фторидов бериллия в кристаллическом и расплавленном состоянии». Журнал физической химии . 77 (2): 216–221. doi :10.1021/j100621a014.
  8. ^ "Инженерная база данных теплофизических и термохимических свойств жидких солей" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2014 г.
  9. ^ «Горошина и пляжный мяч – энергия из тория». 28 сентября 2010 г.
  10. ^ "На чешском языке: ORNL часть ядерного договора НИОКР". Архивировано из оригинала 2012-04-22 . Получено 2012-05-13 .
  11. ^ https://www.oecd-nea.org/janisweb/book/alphas/F19/MT4/renderer/226 [ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  12. ^ Sorbom, BN (2015). "ARC: Компактная, высокополевая, термоядерная научная установка и демонстрационная электростанция с разборными магнитами". Fusion Engineering and Design . 100 : 378–405. arXiv : 1409.3540 . Bibcode : 2015FusED.100..378S. doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.07.008. S2CID  1258716.