相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年9月19日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/052,589的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用全部并入本文。

背景技術(shù)：

本公開(kāi)涉及包含氟化鈹?shù)柠}系統(tǒng)的制造方法。

核聚變和聚變/裂變反應(yīng)堆的當(dāng)前設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮使用液體氟化鋰鈹(flibe)作為反應(yīng)器各部分的冷卻介質(zhì)。flibe也可用于再生氚，其可在聚變反應(yīng)中獲得從而制備新的聚變靶。

flibe是不同比例的氟化鋰和氟化鈹?shù)柠}。該氟化鋰鈹以其液體狀態(tài)而廣泛用于諸如太陽(yáng)能儲(chǔ)存、熔鹽裂變反應(yīng)堆和聚變反應(yīng)堆之類的應(yīng)用中的熱交換流體，以及用于鈹金屬的電化學(xué)生產(chǎn)。氟化鈹?shù)牡腿埸c(diǎn)以及其與氟化鋰的組合產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體的事實(shí)使其非常適合于這種應(yīng)用。對(duì)于熔鹽反應(yīng)堆而言，最佳熔鹽是具有低蒸汽壓、低熔點(diǎn)和高熱容的熔鹽，flibe具有所有這些特性。還考慮了將flibe用于使用釷作為燃料的裂變反應(yīng)堆中。

產(chǎn)生氟化鋰鈹?shù)膫鹘y(tǒng)方法是通過(guò)在受控氣氛中直接使氟化鋰和氟化鈹共熔，如反應(yīng)(1)所示：

(1)2lif+bef2→li2bef4

該反應(yīng)輕微放熱(在1000℃下δh＝-2.59kcal/mol)，但是自由能(1000℃下的δg＝-11.7kcal/mol)也略微為負(fù)。該反應(yīng)的logk值為2.01，該值非常低并且表明反應(yīng)不完全進(jìn)行以形成flibe。

本領(lǐng)域期望提供一種可以更簡(jiǎn)單和/或使得反應(yīng)物更多地向產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的方式而獲得氟化鋰鈹鹽的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)涉及用于形成包含氟化鈹?shù)柠}系統(tǒng)的方法。通常而言，使用氟化鈹銨作為與其他化合物的反應(yīng)物。將化合物混合以形成反應(yīng)混合物，然后將它們一起熔融。吹掃熔融相從而除去殘余氣體和其他副產(chǎn)物。然后，將熔融相冷卻從而獲得鹽產(chǎn)物。

在本文的各種實(shí)施方案中公開(kāi)了用于生產(chǎn)氟化鋰鈹鹽的方法，包括：將氟化鈹銨與鋰化合物混合以形成反應(yīng)混合物；使反應(yīng)混合物熔融以生產(chǎn)熔融相；吹掃熔融相；以及冷卻熔融相從而獲得氟化鋰鈹鹽。

進(jìn)行熔融的溫度可以為約100℃至約1000℃、約300℃至約1000℃或者約350℃至約1000℃。

可以排出熔融步驟期間產(chǎn)生的氣體。

有些情況下，鋰化合物含有富集鋰-6的化合物和天然鋰化合物。

可以用氫氣和氟化氫氣體的組合來(lái)進(jìn)行吹掃。

有些情況下，反應(yīng)混合物中還包括鈉鹽，并且所得的鹽是氟化鋰鈉鈹(flinabe)鹽。

可選地，反應(yīng)混合物中還包括鉀鹽，并且所得的鹽是氟化鋰鉀鈹(flikbe)鹽。

熔融相可以在冷卻之前倒入模具中。

所得的氟化鋰鈹鹽可以包含約1重量％至約99重量％的氟化鈹。在一些實(shí)施方案中，氟化鋰鈹鹽中氟化鋰與氟化鈹?shù)哪柋戎辽贋?:1。

下面將更具體地描述這些和其他非限制性特征。

附圖說(shuō)明

以下是附圖的簡(jiǎn)要描述，其旨在用于說(shuō)明本文公開(kāi)的示例性實(shí)施方案，而非限制本發(fā)明的目的。

圖1示出了使用氟化鋰和氟化鈹來(lái)生產(chǎn)flibe鹽的常規(guī)方法的流程圖。

圖2示出了使用氟化鈹銨的本公開(kāi)的方法的流程圖。

圖3為氟化鋰–氟化鈹系統(tǒng)的相圖。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參照附圖可以更加完整地理解本文公開(kāi)的部件、方法和裝置。這些附圖僅僅是基于方便和易于說(shuō)明本公開(kāi)的示意性表示，并非旨在表示裝置或其部件的相對(duì)尺寸和大小，和/或限定或限制示例性實(shí)施方案的范圍。

盡管為了清楚起見(jiàn)，在以下的描述中使用了特定的術(shù)語(yǔ)，但是這些術(shù)語(yǔ)僅意在表示為了在附圖中進(jìn)行說(shuō)明而選擇的實(shí)施方案的特定結(jié)構(gòu)，并非旨在限定或限制本公開(kāi)的范圍。在附圖和下面的描述中，應(yīng)當(dāng)理解，相同的數(shù)字標(biāo)號(hào)指的是相同功能的元件。

除非上下文另有明確說(shuō)明，否則單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”和“該”都包括復(fù)數(shù)指代物。

如在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中所使用的，術(shù)語(yǔ)“包括”可以包括“由...組成”和“基本上由...組成”的實(shí)施方案。

數(shù)值應(yīng)被理解為：包括減少到相同有效數(shù)字位數(shù)時(shí)相同的數(shù)值、以及與所述值之間的差值小于本申請(qǐng)中所述類型的用以確定該值的常規(guī)測(cè)量技術(shù)的試驗(yàn)誤差的數(shù)值。

本文中所披露的全部范圍包括所列的端點(diǎn)值，并且是可獨(dú)立地組合的(例如，范圍“2克至10克”包括端點(diǎn)值2克和10克，以及所有中間值)。

如本文所使用的，可以應(yīng)用近似語(yǔ)言來(lái)修飾任何定量表示，該定量表示可以改變而不引起與其相關(guān)的基本功能的改變。因此，由術(shù)語(yǔ)例如“大約”和“基本上”修飾的值不限于所指定的精確值。修飾語(yǔ)“大約”也應(yīng)被認(rèn)為是公開(kāi)由兩個(gè)端點(diǎn)值的絕對(duì)值所限定的范圍。例如，表述“約2至約4”還公開(kāi)了范圍“2至4”。

本公開(kāi)的方法總體上涉及氟化鋰鈹鹽的制造。示例性的氟化鋰鈹鹽包括由式li2bef4和libef3表示的那些鹽，其可以被概括為由式nlif-bef2表示的鹽，其中n是整數(shù)。術(shù)語(yǔ)“氟化鋰鈹鹽”應(yīng)被解釋為需要有最低限度的鋰、鈹和氟的存在。應(yīng)該被認(rèn)為落入該術(shù)語(yǔ)范圍內(nèi)的其他鹽包括氟化鋰鈉鈹(flinabe，lif、bef2和naf的三元混合物)和氟化鋰鉀鈹(flikbe，lif、bef2和kf的三元混合物)

氟化鋰鈹鹽的常規(guī)制造方法需要中間產(chǎn)生氟化鋰，然后將其與氟化鈹混合并熔融。氟化鋰可以以不同的方式制造。例如，碳酸鋰和氫氟酸可以轉(zhuǎn)化成氟化鋰。或者，碳酸鋰可以與氟化銨一起混合并加熱至400℃且保持4小時(shí)以產(chǎn)生氟化鋰。最后，碳酸鋰可以與氟化氫銨在高溫下反應(yīng)以產(chǎn)生氟化鋰。這種反應(yīng)的副產(chǎn)物可以包括碳酸銨、碳酸氫銨以及可能的氟化銨。

圖1中示出了常規(guī)方法。在此，碳酸鋰溶解在氨水中并與氫氟酸反應(yīng)，然后進(jìn)行過(guò)濾并干燥，從而得到氟化鋰。然后將氟化鋰與氟化鈹熔融、純化并冷卻，從而得到氟化鋰鈹鹽。從起始成分到生產(chǎn)出最終產(chǎn)品需要七個(gè)步驟(方框)。

通常而言，在本公開(kāi)的方法中，使用氟化鈹銨(abf)作為鈹源。abf由式(nh4)2bf4表示。abf與鋰化合物混合以形成反應(yīng)混合物。然后加熱反應(yīng)混合物以使化合物熔融并產(chǎn)生熔融相。吹掃熔融相以除去殘余氣體和副產(chǎn)物，然后進(jìn)行冷卻，從而得到最終的氟化鋰鈹鹽。這在圖2中示出。以下反應(yīng)(2)和(3)提供了本公開(kāi)的反應(yīng)的兩個(gè)實(shí)施例：

(2)(nh4)2bef4+2lioh→li2bef4+2nh3(g)+2h2o(g)

(3)(nh4)2bef4+lioh→libef3+nh3(g)+h2o(g)+nh4f

本公開(kāi)的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它們不需要在制備li-be-f鹽之前分別產(chǎn)生氟化鋰和氟化鈹?shù)闹虚g步驟。比較圖1和圖2，與常規(guī)方法的七個(gè)步驟相比，本公開(kāi)的方法僅需要四個(gè)步驟。避免了產(chǎn)生氟化鈹?shù)男枰?，從而降低了基建成本、生產(chǎn)成本，并且避免了材料處理問(wèn)題。此外，反應(yīng)具有負(fù)的吉布斯自由能(δg)并且是吸熱反應(yīng)。反應(yīng)(2)在600℃下的δg為-111kcal/mol，在600℃下的δh為+51.1kcal/mol。反應(yīng)(3)在600℃下的δg為-63.3kcal/mol，在600℃下的δh為+49.6kcal/mol。還可以預(yù)期的是反應(yīng)還將使反應(yīng)物幾乎完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。所包括的附錄示出了在一定溫度范圍內(nèi)的反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)值。

首先，將氟化鈹銨(abf)鹽與鋰化合物混合以形成反應(yīng)混合物。鋰化合物可以為(例如)氫氧化鋰(lioh)或碳酸鋰(li2co3)?；衔锟梢允褂美缜蚰C(jī)或共混機(jī)等已知的裝置來(lái)混合在一起。如果期望生產(chǎn)flinabe或flikbe，也可以將abf和鋰化合物與合適的鈉或鉀化合物混合。這樣的化合物可以包括naoh、koh、na2co3或k2co3。

應(yīng)當(dāng)注意，天然存在的鋰由兩種同位素組成：⁶li和⁷li。⁶li的自然濃度為全部鋰的7.5重量％。為了生產(chǎn)所需的富集水平(即，具有更大比例的⁶li)，可以在反應(yīng)混合物中以期望的比例來(lái)共混天然鋰化合物和富集鋰-6的化合物，從而在最終的li-be-f鹽中獲得所需的富集。

接下來(lái)，將反應(yīng)混合物熔融以生產(chǎn)熔融相。反應(yīng)混合物可以(例如)使用石墨爐進(jìn)行熔融。熔融通常發(fā)生在約100℃至約1000℃，或者在更具體的實(shí)施方案中發(fā)生在約300℃至約1000℃或約350℃至約1000℃的溫度下。在該溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)是吸熱的，并且具有負(fù)的吉布斯自由能。

在反應(yīng)混合物的熔融期間，可以形成幾種副產(chǎn)物。如反應(yīng)(2)和(3)所示，這些可以包括氟化銨(nh4f)、氨(nh3)、水(h2o)和/或氟化氫(hf)。當(dāng)反應(yīng)混合物熔融時(shí)，可以通過(guò)(例如)使用真空來(lái)排出氣體副產(chǎn)物。

然后對(duì)熔融相進(jìn)行吹掃?？梢酝ㄟ^(guò)向熔融相注入氫氣和氟化氫氣體的組合，從而除去殘余水分、二氧化碳和其他夾帶的氣體。

然后將熔融相冷卻以獲得氟化鋰鈹鹽。根據(jù)需要，可以將熔融相倒入模具中，然后進(jìn)行冷卻。所得的鹽為氟化鋰和氟化鈹，以及任選的其他氟化物鹽的組合。在一些具體實(shí)施方案中，氟化鋰與氟化鈹?shù)哪柋葹橹辽?:1，或者為至少2:1。

所得的氟化鋰鈹鹽可以包含約1重量％至約99重量％的氟化鈹鹽。在具體實(shí)施方案中，最佳組成是獲得熔融鹽系統(tǒng)的最低熔點(diǎn)的組成。在flibe的情況下，約50摩爾％的氟化鈹可以實(shí)現(xiàn)低于400℃的熔點(diǎn)。圖3示出了氟化鈹-氟化鋰系統(tǒng)的相圖。

再次，本公開(kāi)的方法避免了作為中間體的氟化鈹?shù)闹苽?。相反地，abf與鋰化合物的反應(yīng)導(dǎo)致了氟化鈹?shù)男纬?。abf鹽還比氟化鈹穩(wěn)定得多，因此，abf的使用減少了可能存在于氟化鈹中的任何處理和儲(chǔ)存挑戰(zhàn)。

工業(yè)上生產(chǎn)的鈹化合物的最純的形式之一是氟化鈹銨(abf)。鋰也可以以高純度的方式獲得，因此氟化鋰鈹鹽的所得純度也應(yīng)該非常高。

熔融flibe相也可用于制造鈹金屬。熔融的flibe相可以通過(guò)電極對(duì)其施加電流，在陰極處形成鈹金屬薄片并且在陽(yáng)極處產(chǎn)生hf/f2氣體。

已經(jīng)參考了示例性實(shí)施方案對(duì)本公開(kāi)進(jìn)行了描述。顯然，在閱讀和理解前面的詳細(xì)描述之后，其他人將想到修改和改變。本公開(kāi)解釋意在包括所有這樣的修改和變更，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)。