FLiBe es el nombre de una sal fundida hecha de una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio ( BeF 2 ). Es a la vez refrigerante de reactores nucleares y disolvente de material fértil o fisionable. Sirvió para ambos propósitos en el Experimento del reactor de sales fundidas (MSRE) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge .
La mezcla molar 2∶1 forma un compuesto estequiométrico , Li 2 [BeF 4 ] (tetrafluoroberilato de litio), que tiene un punto de fusión de 459 °C (858 °F), un punto de ebullición de 1430 °C (2610 °F), y una densidad de 1,94 g/cm 3 (0,070 lb/cu in).
Su capacidad calorífica volumétrica ,4540 kJ/(m3.K) , que es similar al del agua, más de cuatro veces mayor que el del sodio y más de 200 veces mayor que el del helio en condiciones típicas de un reactor. [1] Su capacidad calorífica específica es2 414 ,17 J/(kg.K) , o aproximadamente60% el del agua. [2] Su apariencia es de color blanco a transparente, con granos cristalinos en estado sólido, transformándose en un líquido completamente transparente al fundirse. Sin embargo, los fluoruros solubles como el UF 4 y el NiF 2 pueden cambiar drásticamente el color de la sal tanto en estado sólido como líquido. Esto convirtió a la espectrofotometría en una herramienta de análisis viable y se empleó ampliamente durante las operaciones del MSRE. [3] [4] [5]
La mezcla eutéctica es ligeramente mayor que50% BeF 2 y tiene un punto de fusión de 360 °C (680 °F). [6] Esta mezcla nunca se usó en la práctica debido al abrumador aumento de la viscosidad causado por la adición de BeF 2 a la mezcla eutéctica. El BeF 2 , que se comporta como un vidrio, sólo es fluido en mezclas de sales que contienen suficiente porcentaje molar de base de Lewis . Las bases de Lewis, como los fluoruros alcalinos, donarán iones fluoruro al berilio, rompiendo los enlaces vítreos que aumentan la viscosidad. En FLiBe, el fluoruro de berilio es capaz de secuestrar dos iones fluoruro de dos fluoruros de litio en estado líquido, convirtiéndolos en el ion tetrafluoroberillato [BeF 4 ] 2- . [7]
La química de FLiBe y otras sales de fluoruro es única debido a las altas temperaturas a las que ocurren las reacciones, la naturaleza iónica de la sal y la reversibilidad de muchas de las reacciones. En el nivel más básico, FLiBe se funde y se compleja a través de
Esta reacción ocurre tras la fusión inicial. Sin embargo, si los componentes se exponen al aire, absorberán la humedad. Esta humedad juega un papel negativo a alta temperatura al convertir el BeF 2 , y en menor medida el LiF, en un óxido o hidróxido a través de las reacciones.
y
Si bien el BeF 2 es un compuesto químico muy estable, la formación de óxidos, hidróxidos y fluoruro de hidrógeno reduce la estabilidad y la inercia de la sal. Esto conduce a la corrosión. Es importante comprender que todas las especies disueltas en estas dos reacciones causan corrosión, no solo el fluoruro de hidrógeno. Esto se debe a que todos los componentes disueltos alteran el potencial de reducción o potencial redox. El potencial redox es un voltaje innato y medible en la sal que es el principal indicador del potencial de corrosión en la sal. Generalmente, la reacción
se fija en cero voltios. Esta reacción resulta conveniente en un laboratorio y se puede utilizar para poner la sal a cero burbujeando una mezcla 1:1 de fluoruro de hidrógeno e hidrógeno a través de la sal. De vez en cuando la reacción:
se utiliza como referencia. Independientemente de dónde se establezca el cero, todas las demás reacciones que ocurren en la sal ocurrirán a voltajes conocidos y predecibles en relación con el cero. Por lo tanto, si el potencial redox de la sal está cerca del voltaje de una reacción específica, se puede esperar que esa reacción sea la reacción predominante. Por lo tanto, es importante mantener el potencial redox de una sal alejado de reacciones indeseables. Por ejemplo, en un recipiente de aleación de níquel, hierro y cromo, las reacciones de interés serían la fluoración del recipiente y la posterior disolución de estos fluoruros metálicos. La disolución de los fluoruros metálicos modifica entonces el potencial redox. Este proceso continúa hasta que se alcanza un equilibrio entre los metales y la sal. Es esencial que el potencial redox de una sal se mantenga lo más alejado posible de las reacciones de fluoración y que los metales en contacto con la sal estén lo más lejos posible del potencial redox de la sal para evitar una corrosión excesiva.
El método más sencillo para evitar reacciones indeseables es elegir materiales cuyos voltajes de reacción estén lejos del potencial redox de la sal en el peor de los casos. Algunos de estos materiales son tungsteno, carbono, molibdeno, platino, iridio y níquel. De todos estos materiales, sólo dos son asequibles y soldables: el níquel y el molibdeno. Estos dos elementos fueron elegidos como la porción principal de Hastelloy-N , el material del MSRE.
La alteración del potencial redox de FLiBe se puede realizar de dos maneras. En primer lugar, se puede forzar la sal aplicando físicamente un voltaje a la sal con un electrodo inerte. La segunda forma, más común, es realizar una reacción química en la sal que se produce al voltaje deseado. Por ejemplo, el potencial redox se puede alterar rociando hidrógeno y fluoruro de hidrógeno en la sal o sumergiendo un metal en la sal.
Como sal fundida , puede servir como refrigerante que puede usarse a altas temperaturas sin alcanzar una alta presión de vapor . En particular, su transparencia óptica permite una fácil inspección visual de cualquier cosa sumergida en el refrigerante, así como de cualquier impureza disuelta en él. A diferencia del sodio o el potasio metálico, que también se pueden utilizar como refrigerantes de alta temperatura, no reacciona violentamente con el aire o el agua. La sal FLiBe tiene baja higroscopia y solubilidad en agua. [8]
El bajo peso atómico del litio , el berilio y, en menor medida, el flúor hacen del FLiBe un eficaz moderador de neutrones . Como el litio natural contiene ~7,5% de litio-6 , que tiende a absorber neutrones produciendo partículas alfa y tritio , se utiliza litio-7 casi puro para darle al FLiBe una pequeña sección transversal de absorción de neutrones ; [9] Por ejemplo, el refrigerante secundario del MSRE era 99,993 % de litio-7 FLiBe. [10] Cuando el Li-7 absorbe un neutrón, se desintegra casi instantáneamente mediante sucesivas desintegraciones beta y luego alfa en una partícula beta y dos partículas alfa.
El berilio ocasionalmente se desintegrará en dos partículas alfa y dos neutrones cuando sea golpeado por un neutrón rápido . El flúor tiene una sección transversal no despreciable para reacciones (α,n), que debe tenerse en cuenta al calcular la neutrónica . [11]
En el reactor de torio de fluoruro líquido (LFTR), sirve como disolvente para las sales de fluoruro de sustancias fisibles y fértiles , así como como moderador y refrigerante.
Algunos otros diseños (a veces llamados reactores refrigerados por sales fundidas) lo utilizan como refrigerante, pero utilizan combustible nuclear sólido convencional en lugar de disolverlo en la sal fundida.
La sal líquida FLiBe también se propuso como manto líquido para la producción de tritio y el enfriamiento en el reactor de fusión ARC , un diseño tokamak compacto del MIT. [12]