FLiBe

El FLiBe es una sal fundida compuesta por una mezcla de fluoruro de litio (LiF) y fluoruro de berilio ( BeF₂ ). Se utiliza como refrigerante _para reactores nucleares y como disolvente para material fértil o fisionable. Cumplió ambas funciones en el Experimento de Reactor de Sales Fundidas (MSRE, por sus siglas en inglés) del 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/pulg³ ) .       

Su capacidad calorífica volumétrica , 4540 kJ/(m³ ^· K), es similar a la del agua, más de cuatro veces mayor que la del sodio y más de 200 veces mayor que la del helio en condiciones típicas de reactor. ^{[ 1 ]} Su capacidad calorífica específica es de 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, que se transforman en un líquido completamente claro al fundirse. Sin embargo, los fluoruros solubles} como UF₄ y NiF₂ pueden cambiar drásticamente el color de la sal tanto en estado sólido como líquido. Esto hizo de la espectrofotometría una herramienta _de análisis viable, y se empleó ampliamente durante las operaciones de MSRE. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

La mezcla eutéctica tiene una concentración ligeramente superior al 50 % _de BeF₂ y un punto de fusión de 360 ​​°C (680 °F) . ^{[ 6 ]} Esta mezcla nunca se utilizó en la práctica debido al aumento excesivo de la viscosidad causado por la adición _de BeF₂ a la mezcla eutéctica. _El BeF₂ , que se comporta como un vidrio, solo es fluido en mezclas de sales que contienen un porcentaje molar suficiente de base de Lewis . Las bases de Lewis, como los fluoruros alcalinos, donan 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, convirtiéndolo en el ion tetrafluoroberilato [ BeF₄ ] _²⁻ . ^{[ 7 ]}  

La química del 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, el FLiBe se funde y se compleja a sí mismo a través de

2 LiF(s) + BeF ₂ (s) → 2 Li ⁺ (l) + [ BeF ₄ ] ²⁻ (l)

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 _el BeF₂ y, en menor medida, el LiF, en un óxido o hidróxido a través de las reacciones.

BeF ₂ (l) + 2 H ₂ O(g) ⇌ Be(OH) ₂ (d) + 2 HF(d)

y

BeF ₂ (l) + H ₂ O (g) ⇌ BeO (d) + 2 HF (d)

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 comprender 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 inherente y medible en la sal que es el principal indicador del potencial de corrosión en la sal. Por lo general, la reacción

2 HF(g) + 2 e ⁻ → 2 F ⁻ + H ₂ (g)

se ajusta a cero voltios. Esta reacción resulta conveniente en un entorno de laboratorio y puede utilizarse para ajustar la sal a cero haciendo burbujear una mezcla 1:1 de fluoruro de hidrógeno e hidrógeno a través de la sal. Ocasionalmente, la reacción:

NiF ₂ (d) + 2 e ⁻ → Ni(c) + 2 F ⁻

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 predominante. Por consiguiente, es importante mantener el potencial redox de una sal alejado de reacciones indeseables. Por ejemplo, en una aleación de níquel , hierro y cromo para contenedores , las reacciones de interés serían la fluoración del contenedor y la posterior disolución de estos fluoruros metálicos. La disolución de los fluoruros metálicos altera 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 se mantengan lo más alejados posible del potencial redox de la sal para evitar una corrosión excesiva.

El método más sencillo para prevenir reacciones indeseables consiste en seleccionar materiales cuyos potenciales de reacción estén lejos del potencial redox de la sal en su peor escenario. Algunos de estos materiales son el tungsteno , el carbono , el molibdeno , el platino , el iridio y el níquel. De todos ellos, solo dos son asequibles y soldables: el níquel y el molibdeno. Estos dos elementos fueron elegidos como componentes principales del Hastelloy-N , el material del MSRE.

La modificación del potencial redox del FLiBe puede realizarse de dos maneras. La primera consiste en forzar la reacción aplicando un voltaje físico a la sal mediante un electrodo inerte. La segunda, más común, es llevar a cabo una reacción química en la sal que se produzca al voltaje deseado. Por ejemplo, el potencial redox puede modificarse burbujeando hidrógeno y fluoruro de hidrógeno en la sal o sumergiendo un metal en ella.

Como sal fundida, puede servir como refrigerante a altas temperaturas sin alcanzar una alta presión de vapor . Cabe destacar que su transparencia óptica permite una fácil inspección visual de cualquier objeto sumergido en el refrigerante, así como de las impurezas disueltas en él. A diferencia de los metales sodio o potasio , que también pueden utilizarse como refrigerantes a altas temperaturas, no reacciona violentamente con el aire ni el agua. La sal FLiBe presenta baja higroscopicidad y solubilidad en agua. ^{[ 8 ]}

Ampollas de FLiBe con tetrafluoruro de uranio-233 : fragmentos solidificados contrastados con el líquido fundido.

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 darle al FLiBe una sección transversal de absorción de neutrones pequeña ; ^{[ 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 a través de una desintegración beta sucesiva y luego alfa en una partícula beta y dos partículas alfa.

El berilio se desintegra ocasionalmente en dos partículas alfa y dos neutrones al ser impactado por un neutrón rápido . El flúor tiene una sección transversal no despreciable para las reacciones (α,n), lo cual debe tenerse en cuenta al calcular la neutrónica . ^{[ 11 ]}

En el reactor de torio con fluoruro líquido (LFTR, por sus siglas en inglés) sirve como disolvente para las sales de fluoruro, tanto el material fisionable como el fértil , así como moderador y refrigerante.

Otros diseños (a veces denominados reactores refrigerados por sales fundidas) lo utilizan como refrigerante, pero emplean 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 refrigeración en el reactor de fusión ARC , un diseño de tokamak compacto del MIT. ^{[ 12 ]}

• FLiNaK
• reactor de sales fundidas
• reactor de fluoruro líquido de torio