FLiBe es el nombre de una sal fundida hecha a partir de una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio ( BeF 2 ). Es a la vez refrigerante y disolvente de material fértil o fisible para reactores nucleares . Cumplió ambas funciones en el Experimento del Reactor de Sal Fundida (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/(m 3 ·K), es similar a la del agua, más de cuatro veces la del sodio y más de 200 veces la del helio en condiciones típicas del reactor. [1] Su capacidad calorífica específica es 2414,17 J/(kg·K), o aproximadamente el 60% de la del agua. [2] Su apariencia es de blanca a transparente, con granos cristalinos en estado sólido, transformándose en un líquido completamente transparente al fundirse. Sin embargo, los fluoruros solubles como UF 4 y NiF 2 , pueden cambiar drásticamente el color de la sal tanto en estado sólido como líquido. Esto hizo que la espectrofotometría fuera una herramienta de análisis viable, y se empleó ampliamente durante las operaciones de MSRE. [3] [4] [5]
La mezcla eutéctica contiene un poco más del 50% de BeF 2 y tiene un punto de fusión de 360 °C (680 °F). [6] Esta mezcla nunca se utilizó en la práctica debido al aumento abrumador de la viscosidad causado por la adición de BeF 2 en la mezcla eutéctica. BeF 2 , que se comporta como un vidrio, solo 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 de fluoruro al berilio, rompiendo los enlaces vítreos que aumentan la viscosidad. En FLiBe, el fluoruro de berilio puede secuestrar dos iones de fluoruro de dos fluoruros de litio en estado líquido, convirtiéndolo en el ion tetrafluoroberilato [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 forma complejos a través de
Esta reacción ocurre durante la fusión inicial. Sin embargo, si los componentes se exponen al aire absorberán humedad. Esta humedad juega un papel negativo a alta temperatura al convertir BeF 2 y, en menor medida, LiF, en un óxido o hidróxido a través de las reacciones
y
Si bien el BeF2 es un compuesto químico muy estable, la formación de óxidos, hidróxidos y fluoruro de hidrógeno reduce la estabilidad e inercia de la sal. Esto conduce a la corrosión. Es importante entender que todas las especies disueltas en estas dos reacciones causan la 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. Por lo general, la reacción
se establece en cero voltios. Esta reacción resulta conveniente en un entorno de laboratorio y se puede utilizar para establecer la sal a cero mediante el burbujeo de una mezcla 1:1 de fluoruro de hidrógeno e hidrógeno a través de la sal. Ocasionalmente, la reacción:
se utiliza como referencia. Independientemente de dónde se establezca el cero, todas las demás reacciones que se produzcan en la sal se producirán 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 lejos de las reacciones que no son deseables. Por ejemplo, en una aleación de níquel, hierro y cromo para un recipiente, las reacciones de interés serían la fluoración del recipiente y la posterior disolución de estos fluoruros metálicos. La disolución de los fluoruros metálicos altera 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 alejados 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 el tungsteno, el carbono, el molibdeno, el platino, el iridio y el níquel. De todos estos materiales, solo dos son asequibles y soldables: el níquel y el molibdeno. Estos dos elementos fueron elegidos como la parte principal de Hastelloy-N , el material del MSRE.
El potencial redox de FLiBe se puede modificar de dos formas. En primer lugar, se puede forzar la sal aplicándole físicamente un voltaje 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 modificar rociando la sal con hidrógeno y fluoruro de hidrógeno o sumergiendo un metal en la sal.
Como sal fundida, puede servir como refrigerante y puede utilizarse a altas temperaturas sin alcanzar una presión de vapor elevada . Cabe destacar que su transparencia óptica permite una fácil inspección visual de cualquier cosa inmersa en el refrigerante, así como de las impurezas disueltas en él. A diferencia de los metales de sodio o potasio , que también pueden utilizarse 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 moderador de neutrones eficaz . Como el litio natural contiene aproximadamente un 7,5 % de litio-6 , que tiende a absorber neutrones produciendo partículas alfa y tritio , se utiliza litio-7 casi puro para dar al FLiBe una pequeña sección transversal de absorción de neutrones ; [9] por ejemplo, el refrigerante secundario MSRE era 99,993 % de litio-7 FLiBe. [10] Cuando el Li-7 absorbe un neutrón, se desintegra casi instantáneamente a través de una desintegración beta y luego alfa sucesivas en una partícula beta y dos partículas alfa.
El berilio se desintegra ocasionalmente en dos partículas alfa y dos neutrones cuando es golpeado por un neutrón rápido . El flúor tiene una sección eficaz no despreciable para las reacciones (α,n), lo que debe tenerse en cuenta al calcular la neutrónica . [11]
En el reactor de fluoruro de torio líquido (LFTR) sirve como disolvente para las sales de fluoruro, material fisible y fértil , así como moderador y refrigerante.
Algunos otros diseños (a veces llamados reactores refrigerados por sal fundida) lo utilizan como refrigerante, pero tienen combustible nuclear sólido convencional en lugar de disolverlo en la sal fundida.
La sal líquida FLiBe también se propuso como manta líquida para la producción y enfriamiento de tritio en el reactor de fusión ARC , un diseño tokamak compacto del MIT. [12]