Способ получения смесей li2bef4-lif из металлического бериллия - RU2776111C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области получения соединений бериллия, а именно солевой смеси фторидов лития и бериллия, используемого для производства ядерного топлива, в частности топлива жидкосолевого ядерного реактора (ЖСР). Смесь фторидов лития и бериллия (FLiBe) получают из металлического бериллия путем добавления его раствор гидрофторида лития, полученного путем взаимодействия раствора плавиковой кислоты с карбонатом лития, в следствии чего образуется раствор состава Li₂BeF₄. Полученный раствор упаривается досуха и сушится под вакуумом при температуре 160-210°С. Изобретение позволяет обеспечить получение смесей фторидов лития и бериллия, реализацию более простой аппаратурной схемы, удешевление процессов производства. 4 табл. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к области создания жидкосолевого ядерного реактора, с топливом на основе расплава фторидов, в частности состава Li₂BeF₄. Солевая композиция содержит фториды делящихся материалов (в том числе U-235, Pu-239, Am-241, Am-243, Cm-242, Cm-244) и в рабочем состоянии находится в виде расплава. Данный тип реактора, осуществляющий дожигание долгоживущих трансурановых элементов, работает на солевой композиции фторидов лития и бериллия.

Анализ уровня техники в данной области свидетельствует о наличии разных способов получения смесей фторидов лития и бериллия например:

1. Barton С.J., "Solubility of plutonium trifluoride in fused-alkali fluoride-beryllium fluoride mixtures", J. Phys. Chem. 1960, 64, 3, 306-309.

Показана возможность получения смеси фторидов лития и бериллия прямым сплавлением LiF и BeF₂ в перчаточном боксе под атмосферой 95% аргона с добавлением газообразного 5% HF для минимизации гидролиза на поверхности соли. Для получения смеси конкретного состава рассчитывается и навешивается необходимое количество фторидов лития и бериллия (71,3 мол. % LiF и 28,7 мол. % BeF₂). Сплавление производится в никелевом тигле при температуре 600°С.

Существенным недостатком данного метода является необходимость использования добавления газообразного HF в рабочую атмосферу.

2. С.С. Коровкин, Г.В. Зимина, A.M. Резник и др., "Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология", книга I: учебник для вузов, стр. 154. 1996.

Показана возможность получения фторида бериллия термическим разложением тетрафторобериллата аммония (NH₄)₂BeF₄. Гидроксид бериллия растворяется в растворе гидродифторида аммония так, чтобы в растворе содержалось 20 г/л Be при рН 5,5, в следствие чего протекает реакция (1).

Раствор со стехиометрическим соотношением NH₄F: BeF₂=2:1 выпаривается под вакуумом, в следствие чего кристаллизуется тетрафторобериллат аммония. Полученные кристаллы разлагаются по реакции (2) при температуре 900-1100°С в графитовых тиглях, помещенных в индукционную печь. Газообразный фторид аммония улавливают при помощи скруббера и на электрофильтре.

Далее солевая смесь LiF и BeF₂ готовится методом прямого сплавления в инертной атмосфере при температуре 600°С.

Существенным недостатком данного метода является необходимость использования скрубберов и газовоздушных фильтров для улавливания образующегося газообразного фторида аммония. Образующийся фторид бериллия является гигроскопичным и требует особых условий хранения перед сплавлением со фторидом лития. Также сплавление LiF и BeF₂ необходимо проводить в инертной атмосфере аргона с добавкой 5% HF.

Проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа получения смесей Li₂BeF₄-LiF из металлического бериллия, отличающегося тем, что получение осуществляют за счет получения готовой смеси (FLiBe) с использованием в качестве исходного вещества металлического бериллия, и без необходимости последующего сплавления индивидуальных компонентов.

Указанная проблема решается тем что, синтез осуществляют взаимодействием раствора плавиковой кислоты, взятого с избытком и разбавленного бидистиллированной водой, и карбоната лития во фторопластовой емкости, при этом раствор постоянно перемешивается мешалкой, после чего вносится металлический бериллий и после окончания реакции смесь выпаривается досуха сначала в емкости из стеклоуглерода при постоянном перемешивании пульпы, а затем под вакуумом при температуре 160-210°С.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является получение смесей Li₂BeF₄-LiF из металлического бериллия.

Пример 1.

Взят раствор плавиковой кислоты марки («ХЧ» или «ОСЧ») объемом 210 мл, с 25% избытком от стехиометрически необходимого количества. Раствор помещен во фторопластовую посуду. Кислота разбавлена двукратным объемом бидистиллированной воды объемом 400 мл. Раствор перемешивается верхнеприводной мешалкой из фторопласта. В него порциями вносится карбонат лития, в следствие чего протекает реакция (3). После внесения всего карбоната лития в реакционную смесь небольшими порциями вносится металлический бериллий в виде стружки массой 7,6 граммов. После окончания реакции (4) смесь переносится в чашу, выполненную из стеклоуглерода, для выпаривания досуха. Для избежания комкования продукта и прилипания к стенкам чаши пульпа кристаллов фторобериллата лития перемешивается. Полученные кристаллы переносятся в поддон из фторопласта или тигель из стеклоуглерода для последующей сушки под вакуумом при температуре 160-210°С. При этом отмечается убыль массы на стадии сушки равной 0,3-1%. Выход готового продукта составляет 96-98% от теоретического.

Рентгенофазовый анализ подтвердил, что конечный продукт представляет собой тетрафторобериллат лития с небольшой примесью фторида лития (фаза грайсита). Других фаз не обнаружено. В таблице 1 приведены результаты проведенных экспериментов.

Химический состав фторобериллата лития определен с помощью рентгенофлуоресцентного анализа. Полученные результаты представлены в таблице 2. Отмечается, что суммарное содержание лития, бериллия и фтора в образцах составляло 98,5-99,3 мас. %. Основными примесями являются кислород (0,5-0,7 мас. %) и алюминий (0,1-1 мас. %). Основным источником алюминия является использованный для синтеза металлический бериллий.

Принципиальная технологическая схема метода представлена на фиг.1. Пример 2.

Взят раствор плавиковой кислоты марки («ХЧ» или «ОСЧ») объемом 285 мл, с 25% избытком от стехиометрически необходимого количества. Раствор помещен во фторопластовую посуду. Кислота разбавлена двукратным объемом бидистиллированной воды объемом 734 мл. Раствор перемешивается верхнеприводной мешалкой из фторопласта. В него порциями вносится карбонат лития массой 114,23 г, в следствие чего протекает реакция (3). После внесения всего карбоната лития в реакционную смесь небольшими порциями вносится металлический бериллий в виде кускового материала массой 13,9 граммов. После окончания реакции (4) смесь переносится в чашу, выполненную из стеклоуглерода, для выпаривания досуха. Для избежания комкования продукта и прилипания к стенкам чаши пульпа кристаллов фторобериллата лития перемешивается. Полученные кристаллы переносятся в поддон из фторопласта или тигель из стеклоуглерода для последующей сушки под вакуумом при температуре 160-210°С. При этом отмечается убыль массы на стадии сушки равной 0,3-1%. Выход готового продукта составляет 96% от теоретического.

Реферат

Изобретение относится к области получения соединений бериллия, а именно солевой смеси фторидов лития и бериллия, используемой для производства ядерного топлива, в частности топлива жидкосолевого ядерного реактора. Способ получения смесей Li₂BeF₄-LiF из металлического бериллия характеризуется тем, что синтез осуществляют взаимодействием раствора плавиковой кислоты, взятого с 25% избытком от стехиометрически необходимого количества и разбавленного бидистиллированной водой, и карбоната лития во фторопластовой емкости, при этом раствор постоянно перемешивают мешалкой, после чего вносят металлический бериллий в виде стружки или кускового материала, после окончания реакции смесь сначала выпаривают досуха при постоянном перемешивании пульпы, а затем сушат под вакуумом при температуре 160-210°С. Технический результат заключается в упрощении способа за счет небольшого количества технологических операций, а использование в качестве исходного вещества металлического бериллия удешевляет процесс производства смесей Li₂BeF₄-LiF. 1 ил., 4 табл., 2 пр.

Формула