Способ получения топливной соли на основе lif-bef2 для жидкосолевых ядерных реакторов

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано для получения топливной соли на основе фторидов лития и бериллия, предназначенной для введения в контур энергоблока жидкосолевых реакторов. Способ включает использование смеси, содержащей тетрафторбериллат аммония и фторид лития, взятые в количестве, соответствующем эвтектическому составу получаемой соли, нагревают в токе аргона до температуры 230-250°С, выдерживают до полного разложения тетрафторбериллата аммония, затем температуру нагрева смеси поднимают выше температуры плавления Li₂BeF₄, но не выше 530°С. Далее смесь выдерживают до получения топливной соли, которую охлаждают в токе аргона до комнатной температуры. Технический результат заключается в возможности получения топливной соли для энергоблоков жидкосолевых реакторов без необходимости продувать с избытком газообразный HF.

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано для получения топливной соли на основе фторидов лития и бериллия, предназначенной для введения в контур энергоблока жидкосолевых реакторов (ЖСР).

Известно, что расплавы на основе фторида лития и фторида бериллия (система LiF-BeF₂,) отвечают основным требованиям, предъявляемым к основе топливной соли жидкосолевого реактора. Расплавы представляют собой смесь слабо поглощающих нейтроны расплавленных солей LiF и BeF₂, предназначенных для растворения фторидов делящихся и сырьевых материалов. Важным преимуществом расплавов LiF-BeF₂ являются невысокие температуры плавления композиций (около 500°С), а также низкое давление насыщенных паров (10 Па при 700°С) (Игнатьев В.В., Фейнберг О.С., Загнитько А.В. и др. Жидкосолевые реакторы: новые возможности, проблемы и решения // Атомная энергия, 2012, т. 112, вып. 3, с. 157-165) [1].

Наиболее перспективным для топливной соли считается расплав 73 мол. % LiF - 27 мол. % BeF₂. Известен способ получения топливной соли на основе LiF-BeF₂ для жидкосолевого ядерного реактора, включающий плавление смеси солей фторидов лития и бериллия. Для получения топливной соли через расплав смеси этих солей пропускают (барботируют) газообразный HF с использованием газа носителя Н₂. (J. Н. Shaffer, "Preparation and Handling of Salt Mixtures for the Molten Salt Reactor Experiment"// ORNL-4616, OakRidgeNationalLaboratory (1971)) [2]. Пропускание HF производят для удаления кислородных примесей по реакции:

Основным недостатком данного способа является выброс в окружающую среду и необходимость улавливания значительного количества ядовитого газа - фтористого водорода, предельно допустимая концентрация которого, в воздухе рабочей зоны составляет 0,0005 мг/л. Применение такого способа потенциально опасно не только для окружающей среды, но и для работников. Фтористый водород способен образовывать аэрозоли с влагой в воздухе (плавиковую кислоту), которые могут конденсироваться на поверхностях оборудования, на коже и слизистых оболочках человека и животных. Появление плавиковой кислоты на поверхности оборудования приводит к повышенной коррозии металлов и выходу из строя изготовленных их них механизмов.

Задачей изобретения является повышение экологической безопасности получения топливной соли для энергоблоков жидкосолевых реакторов.

Для этого предложен способ получения топливной соли на основе LiF-BeF₂ для жидкосолевых ядерных реакторов, включающий, как и прототип, плавление смеси солей, содержащей фторид лития. Новый способ отличается тем, что используют смесь, содержащую тетрафторбериллат аммония и фторид лития, взятые в количестве, соответствующему эвтектическому составу получаемой соли, нагревают в токе аргона до температуры 230-250°С, выдерживают в течение времени, достаточного для полного разложения тетрафторбериллата аммония, затем температуру нагрева смеси поднимают выше температуры плавления Li₂BeF₄, но не выше 530°С и выдерживают при этой температуре до получения топливной соли, которую охлаждают в токе аргона до комнатной температуры.

В основе заявленного способа заложено химическое взаимодействие компонентов смеси по реакции:

Соотношение реагентов по реакции (2) обеспечивает получение расплава 73 мол. % LiF - 27 мол. % BeF₂. Ток аргона предназначен для создания конвективных потоков, препятствующих «зарастанию» отверстий газовой системы кристаллами NH₄F. В процессе получения соблюдают температурно-временной режим и проводят плавление в две стадии.

Нагрев смеси до температуры 230-250°С с последующей выдержкой в течение времени, достаточного для полного разложения тетрафторбериллата аммония, предусмотрен для расплавления этого компонента и образования в нем суспензии фторида лития. Это обусловлено тем, что реакция (2) является гетерогенной, притом, что эта стадия важна для наиболее полного протекания процесса. Верхний диапазон температуры в 250°С обусловлен активизацией процесса разложения тетрафторбериллата аммония, а нижний в 230°С - температурной его плавления.

На второй стадии температуру повышают выше температуры плавления Li₂BeF₄ (472°С), но не выше 530°С и выдерживают при этой температуре до получения топливной соли, соответствующей гомогенизации расплава. Верхний диапазон температуры в 530°С обусловлен необходимостью снижения количества Li₂BeF₄ в возгонах и соответственно с минимизацией потерь полезного продукта.

После проведения второй стадии продукт реакции (2) NH₄F кристаллизуется в холодных частях реторты и может быть удален с них механически, например, при помощи скребка. При этом очистка от кислородных примесей по реакции (1) происходит только в минимально необходимом объеме внутри расплава, избыток NH₃ улавливается в гидрозатворе и конденсируется на холодных частях ячейки в виде гидрата аммония (жидкость при нормальных условиях) образованного по реакции:

Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в возможности получения топливной соли для энергоблоков жидкосолевых реакторов без необходимости продувать с избытком газообразный HF.

Для получения топливной соли использовали тетрафторбериллат аммония (NH₄)₂BeF₄, представляющий собой доступный полупродукт бериллиевых производств. В стеклоуглеродном контейнере смешивали порошки тетрафторбериллата аммония и фторида лития в количественном соотношении, соответствующем эвтектическому составу получаемой топливной соли. Контейнер размещали в кварцевой реторте, снабженной гидрозатвором, которую герметизировали. После чего в реторте создавали атмосферу аргона и его ток, необходимый для создания конвективных потоков, препятствующих «зарастанию» отверстий газовой системы кристаллами NH₄F. Результаты экспериментальной проверки изложены в примерах осуществления способа.

Пример 1

Смесь из навесок тетрафторбериллата аммония в количестве 61,23 г и фторида лития в количестве 35,54 г, то есть в весовом соотношении, равным 1,72, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 230°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 482°С и выдерживали в течение 2 часов. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄ и LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав 73 мол. % LiF - 27 мол % BeF₂.

Пример 2

Смесь, аналогичную примеру 1, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 250°С и выдерживали в течение 1 часа. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 520°С и выдерживали в течение 1 часа. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄H LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав 73 мол. % LiF - 27 мол % BeF₂.

Пример 3

Смесь, аналогичную примеру 1, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 240°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 530°С и выдерживали в течение 2 часов. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄ и LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав 73 мол. % LiF - 27 мол % BeF₂.

Пример 4

Смесь из навесок тетрафторбериллата аммония в количестве 121,09 г и фторида лития в количестве 70,30 г, то есть в весовом соотношении, равным 1,72, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 230°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 520°С и выдерживали в течение 2 часов. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄ и LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав 73 мол. % LiF - 27 мол % BeF₂.

Пример 5

Смесь из навесок тетрафторбериллата аммония в количестве 86,00 г и фторида лития в количестве 52,00, то есть в весовом соотношении, равным 1,72, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 230°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 490°С и выдерживали в течение 2 часов. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄ и LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав 73 мол. % LiF - 27 мол % BeF₂.

Пример 6

Смесь из навесок тетрафторбериллата аммония в количестве 73,9 г и фторида лития в количестве 43,00 г, то есть в весовом соотношении, равным 1,72, размещали в стеклоуглеродном контейнере внутри реторты, затем нагревали в токе аргона до 230°С и выдерживали в течение 2 часов. Затем температуру нагрева смеси поднимали до 482°С и выдерживали в течение 2 часов. Полученный расплав охлаждали в токе аргона до комнатной температуры. Методом рентгенофазового анализа в полученном расплаве обнаружены фазы Li₂BeF₄ и LiF. Методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой подтверждено, что получен расплав мол. % 73 LiF - % BeF₂.

Таким образом, без необходимости продувать с избытком газообразный HF, получена топливная соль на основе LiF-BeF₂ для энергоблоков жидкосолевых реакторов.

Помимо этого, в отличие от прототипа, топливная соль (NH₄)₂BeF₄ является продуктом, предшествующим получению чистого BeF₂, что делает предложенный способ еще более экономически выгодным.

Способ получения топливной соли на основе LiF-BeF₂ для жидкосолевых ядерных реакторов, включающий плавление смеси солей, содержащей фторид лития, отличающийся тем, что используют смесь, содержащую тетрафторбериллат аммония и фторид лития, взятые в количестве, соответствующем эвтектическому составу получаемой соли, нагревают в токе аргона до температуры 230-250°С, выдерживают в течение времени, достаточного для полного разложения тетрафторбериллата аммония, затем температуру нагрева смеси поднимают выше температуры плавления Li₂BeF₄, но не выше 530°С и выдерживают до получения топливной соли, которую охлаждают в токе аргона до комнатной температуры.