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FLiBe is a molten salt made from a mixture of lithium fluoride (LiF) and beryllium fluoride (BeF2). It is both a nuclear reactor coolant and solvent for fertile or fissile material. It served both purposes in the Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE) at the Oak Ridge National Laboratory.
The 2:1 molar mixture forms a stoichiometric compound, Li2[BeF4] (lithium tetrafluoroberyllate), which has a melting point of 459 °C (858 °F), a boiling point of 1,430 °C (2,610 °F), and a density of 1.94 g/cm3 (0.070 lb/cu in).
Its volumetric heat capacity, 4540 kJ/(m3·K), is similar to that of water, more than four times that of sodium, and more than 200 times that of helium at typical reactor conditions.[1] Its specific heat capacity is 2414.17 J/(kg·K), or about 60% that of water.[2] Its appearance is white to transparent, with crystalline grains in a solid state, morphing into a completely clear liquid upon melting. However, soluble fluorides such as UF4 and NiF2, can dramatically change the salt's color in both solid and liquid state. This made spectrophotometry a viable analysis tool, and it was employed extensively during the MSRE operations.[3][4][5]
共晶混合物は、 BeF 2 が50 % をわずかに上回り、融点は360 °C (680 °F)です。[ 6 ]この混合物は、共晶混合物へのBeF 2の添加によって粘度が著しく増加するため、実際には使用されませんでした。ガラスのように振る舞うBeF 2は、十分なモルパーセントのルイス塩基を含む塩混合物でのみ流動性を示します。アルカリフッ化物などのルイス塩基は、フッ化物イオンをベリリウムに供与し、粘度を増加させるガラス結合を破壊します。FLiBe では、フッ化ベリリウムは液体状態で 2 つのフッ化リチウムから 2 つのフッ化物イオンを隔離し、テトラフルオロベリレートイオン[ BeF 4 ] 2−に変換することができます。[ 7 ]
FLiBeやその他のフッ化物塩の化学は、反応が起こる高温、塩のイオン性、そして多くの反応の可逆性によって独特です。最も基本的なレベルでは、FLiBeは融解し、錯体を形成します。
この反応は最初の融解時に起こります。しかし、成分が空気にさらされると、水分を吸収します。この水分は高温で、 BeF₂、そして程度は低いもののLiFを酸化物または水酸化物に変化させることにより、悪影響を及ぼします。
そして
BeF₂は非常に安定した化合物ですが、酸化物、水酸化物、フッ化水素の生成により、塩の安定性と不活性が低下します。これが腐食につながります。重要なのは、これらの2つの反応で溶解したすべての物質が腐食を引き起こすということです。フッ化水素だけではありません。これは、溶解したすべての成分が還元電位または酸化還元電位を変化させるためです。酸化還元電位は塩に固有の測定可能な電圧であり、塩の腐食電位の主要な指標です。通常、反応は
電圧はゼロボルトに設定されます。この反応は実験室環境で便利であり、フッ化水素と水素の1:1混合物を塩に通気することで塩の電圧をゼロに設定するために使用できます。反応は時折次のようになります。
は基準として使用されます。ゼロがどこに設定されているかに関わらず、塩の中で起こる他のすべての反応は、ゼロに対する予測可能な既知の電圧で起こります。したがって、塩の酸化還元電位が特定の反応の電圧に近い場合、その反応が主要な反応になると予想されます。そのため、塩の酸化還元電位を望ましくない反応から遠ざけておくことが重要です。たとえば、ニッケル、鉄、クロムの容器合金では、懸念される反応は容器のフッ素化とそれに続くこれらの金属フッ化物の溶解です。金属フッ化物の溶解は酸化還元電位を変化させます。このプロセスは、金属と塩の間で平衡に達するまで続きます。塩の酸化還元電位をフッ素化反応からできるだけ遠ざけ、塩と接触する金属を塩の酸化還元電位からできるだけ遠ざけて、過度の腐食を防ぐことが不可欠です。
望ましくない反応を防ぐ最も簡単な方法は、反応電圧が塩の最悪の場合の酸化還元電位から大きく離れた材料を選択することです。そのような材料には、タングステン、炭素、モリブデン、白金、イリジウム、ニッケルなどがあります。これらの材料の中で、入手しやすく溶接可能なのはニッケルとモリブデンの2種類だけです。この2つの元素が、MSREの材料であるハステロイNの主要成分として選ばれました。
FLiBeの酸化還元電位を変化させる方法は2つあります。1つ目は、不活性電極を用いて塩に電圧を印加することで、塩の酸化還元電位を変化させる方法です。2つ目は、より一般的な方法で、目的の電圧で塩中で化学反応を起こす方法です。例えば、塩に水素やフッ化水素を吹き込んだり、金属を塩に浸したりすることで、酸化還元電位を変化させることができます。
溶融塩として、高温でも高い蒸気圧に達することなく冷却剤として使用できます。特に、その光学的透明性により、冷却剤に浸された物や、冷却剤に溶解した不純物を容易に目視検査できます。高温冷却剤として使用できるナトリウムやカリウム金属とは異なり、空気や水と激しく反応しません。FLiBe塩は吸湿性が低く、水への溶解度も低いです。[ 8 ]
リチウム、ベリリウム、そして程度は低いもののフッ素の原子量が小さいため、FLiBe は効果的な中性子減速材となります。天然のリチウムには約 7.5% のリチウム 6が含まれており、これは中性子を吸収してアルファ粒子とトリチウムを生成する傾向があるため、FLiBe の中性子吸収断面積を小さくするためにほぼ純粋なリチウム 7が使用されます。[ 9 ]例えば、MSRE の二次冷却材は 99.993% のリチウム 7 FLiBe でした。[ 10 ] Li-7 が中性子を吸収すると、ほぼ瞬時に連続ベータ崩壊、そしてアルファ崩壊を経て、ベータ粒子 1 つとアルファ粒子 2 つに崩壊します。
ベリリウムは高速中性子に衝突されると、時折2つのアルファ粒子と2つの中性子に崩壊する。フッ素は(α,n)反応に対して無視できない断面積を持つため、中性子計算を行う際にはこれを考慮に入れる必要がある。[ 11 ]
液体フッ化物トリウム原子炉（LFTR）では、核分裂性物質および増殖性物質であるフッ化物塩の溶媒として、また減速材および冷却材としても機能する。
他の設計（溶融塩冷却炉と呼ばれることもある）では、溶融塩を冷却材として使用するが、溶融塩に溶解させるのではなく、従来の固体核燃料を使用する。
液体FLiBe塩は、 MITによる小型トカマク型核融合炉ARCにおけるトリチウム生成および冷却のための液体ブランケットとしても提案された。[ 12 ]
