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[[ファイル:FLiBe.png|右|サムネイル|300x300ピクセル|溶融したFLiBe。[[四フッ化ウラン]]によって緑色に着色されている。]]
'''FLiBe'''は[[フッ化リチウム]]と[[フッ化ベリリウム]]の混合物から作られる[[溶融塩]]である。原子炉の[[冷却材]]や[[核燃料物質]]の溶媒として用いられる。[[オークリッジ国立研究所]]による{{仮リンク|溶融塩原子炉実験|en|Molten-Salt Reactor Experiment}}（MSRE）では両方の目的で使用された。

モル比2:1で混合すると {{Chem2|Li2[BeF4]}} ([[四フッ化ベリル酸リチウム]])を生成する。この化合物の融点は459℃、沸点は1430℃、密度は1.94 g/cm<sup>3</sup>である。

容積比熱は4,540 kJ/(m<sup>3</sup>·K)と水と同程度で、[[ナトリウム]]の4倍以上、一般的な原子炉条件下での[[ヘリウム]]の200倍以上である<ref>{{Cite web |url=http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/122842.pdf |title=CORE PHYSICS CHARACTERISTICS AND ISSUES FOR THE ADVANCED HIGH-TEMPERATURE REACTOR (AHTR) |access-date=2010-01-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20100113031935/http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/122842.pdf |archive-date=2010-01-13}}</ref>。[[比熱容量]]は2,414.17 J/(kg·K)と、水の6割程度である<ref>{{Cite web |url=https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/STI/STI/5698704.pdf |title=Engineering Database of Liquid Salt Thermophysical and Thermochemical Properties |access-date=2024-9-14}}</ref>。

FLiBeは白から透明の外観で、固体状態では[[結晶粒]]がある。融解すると完全に透明な液体となる。しかし、[[四フッ化ウラン|UF<sub>4</sub>]]や[[フッ化ニッケル(II)|NiF<sub>2</sub>]]などの可溶性[[フッ化物]]は固体と液体の両方で塩の色を劇的に変化させる。このことから、[[分光測色法]]は溶質の分析によく用いられ、MSREでは運用中広範に使用された<ref>{{Cite journal|last=Young|first=Jack Phillip|last2=Mamantov|first2=Gleb|last3=Whiting|first3=F. L.|date=1967-02|title=Simultaneous voltammetric generation of uranium(III) and spectrophotometric observation of the uranium(III)-uranium(IV) system in molten lithium fluoride-beryllum fluoride-zirconium fluoride|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/j100862a055|journal=The Journal of Physical Chemistry|volume=71|issue=3|pages=782–783|language=en|doi=10.1021/j100862a055|issn=0022-3654}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Young|first=J. P.|last2=White|first2=J. C.|date=1960-06-01|title=Absorption Spectra of Molten Fluoride Salts. Solutions of Several Metal Ions in Molten Lithium Fluoride-Sodium Fluoride-Potassium Fluoride|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac60163a020|journal=Analytical Chemistry|volume=32|issue=7|pages=799–802|language=en|doi=10.1021/ac60163a020|issn=0003-2700}}</ref>。

BeF<sub>2</sub>が50%をわずかに上回る混合比で共融混合物となり、融点は360℃である。この共融混合物はBeF<sub>2</sub>添加により粘度が非常に大きくなるため実際には使われなかった。BeF<sub>2</sub>がガラスのようにふるまうのは[[ルイス塩基]]を十分に含んだ溶融塩混合物であるためである。アルカリフッ化物のような[[ルイス塩基]]は[[フッ化物イオン]]を[[ベリリウム]]に供与し、ガラス状結合を切断することで粘度が大きくなる。FLiBeでは二つの[[フッ化リチウム]]からフッ化物イオンがベリリウムに供与され四フッ化ベリル酸イオンをつくる<ref>{{Cite journal|last=Toth|first=L. M.|last2=Bates|first2=J. B.|last3=Boyd|first3=G. E.|date=1973-01|title=Raman spectra of Be2F73- and higher polymers of beryllium fluorides in the crystalline and molten state|url=https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/j100621a014|journal=The Journal of Physical Chemistry|volume=77|issue=2|pages=216–221|language=en|doi=10.1021/j100621a014|issn=0022-3654}}</ref>。

== 化学的性質 ==
FLiBeをはじめとした多くの[[フッ化物]][[塩 (化学)|塩]]が関わる化学反応は、反応温度が高いことや、塩がイオン性であること、多くの反応が可逆反応であることなどから、特異な性質を示す。

まず基本的な性質としてFLiBeが溶融すると自らと[[錯体]]を形成する。

<chem>2 LiF(s) + BeF2(s) -> 2 Li^+(l) + [BeF4]^2- (l)</chem>

この反応は最初の溶融時に進行する。しかし空気にさらされると水分を吸収する。高温ではこの水分がBeF<sub>2</sub>やLiFを[[酸化物]]や[[水酸化物]]に変換してしまう。

<chem>BeF2(l) + 2 H2O(g) <=> Be(OH)2(d) + 2 HF(d)</chem>

<chem>BeF2(l) + H2O(g) <=> BeO(d) + 2 HF(d) </chem>

BeF<sub>2</sub>は非常に安定した物質だが、[[酸化物]]や[[水酸化物]]、[[フッ化水素]]の生成により塩の安定性が低下し、[[腐食]]の原因となる。なおフッ化水素だけでなく上記の2つの反応によって生じる全ての[[化学種]]が腐食を引き起こすことが重要である。これは溶解した全ての成分が[[酸化還元電位]]を変化させるためである。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となる。

通常、次の反応

<chem>2 HF(g) + 2 e^- -> 2 F^- +H2(g) </chem>

の電位を0Vと設定する。この反応は実験室環境では便利で、塩にフッ化水素と[[水素]]の1:1混合物を吹き込むことで塩の酸化還元電位を0Vに調整することができる。

場合によっては、

<chem>NiF2(d) + 2 e^- -> Ni(c) + 2 F^-</chem>

という反応における電位を基準にする場合もある。

0Vをどこに設定した場合でも塩で発生する全ての反応は既知の電圧で発生する。よって塩の酸化還元電位が特定の反応の電圧に近い場合、その反応が主な反応であると推測できる。したがって、塩の酸化還元電位を望ましくない反応から遠ざけることが重要である。たとえば容器に使われる[[ニッケル]]、[[鉄]]、[[クロム]]からなる[[合金]]の場合、懸念される反応はこれらの金属のフッ素化とフッ化物の溶解である。金属フッ化物の溶解によって酸化還元電位が変化し、平衡に達するまでこの反応は続く。過度の腐食を防ぐには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ることが重要である。

望ましくない反応を防ぐ最も簡単な方法は、反応電位が塩の酸化還元電位から離れた材料を選択することである。こうした材料としては[[タングステン]]、[[炭素]]、[[モリブデン]]、[[白金]]、[[イリジウム]]、[[ニッケル]]などがあるが、このうち手頃な価格で溶接が可能な材料はニッケルとモリブデンである。この2つの元素はMSREにも素材として使われたHastelloy-Nにも採用された。

FLiBeの酸化還元電位を変える方法は2つある。1つ目は不活性電極を使用して塩に物理的に電圧を印加する方法である。2つ目は塩内で必要な電圧を化学反応で起こす方法で、こちらのほうがより一般的に用いられる。例えば、塩に水素とフッ化水素を吹き込んだり、金属を塩に浸したりといった方法で酸化還元電位を変えることができる。

== 冷却材 ==
FLiBeは高温でも[[蒸気圧]]が上がりにくい[[冷却材]]として使用できる[[溶融塩]]である。また特筆すべき事項として、高い光学的透明性を有しているため不純物を容易に目視検査できるという特性がある。更にFLiBeの他に高温冷却材として使用される[[金属ナトリウム]]や[[リチウム|金属リチウム]]とは異なり、空気や水と激しい反応を起こさない。またFLiBeは[[吸湿性]]が低く水への[[溶解度]]も低い<ref>{{Cite web |url=http://www.inl.gov/technicalpublications/Documents/4502650.pdf |title=Engineering Database of Liquid Salt Thermophysical and Thermochemical Properties |access-date=2024-09-12 |url-status=dead |archive-date=2014-08-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140808054526/http://www.inl.gov/technicalpublications/Documents/4502650.pdf}}</ref>。
[[ファイル:Purified_Flibe.JPG|右|サムネイル|精製されたFLiBe。MSREの二次冷却材に使われていたもの。]]

== 核特性 ==
{{Double image stack|right|FLiBe-Solid.gif|FLiBe-Liquid.gif|300|[[ウラン233]]四フッ化物を含んだFLiBeのアンプル。}}[[リチウム]]と[[ベリリウム]]、[[フッ素]]の[[原子量]]が小さいため、FLiBeは効果的な[[減速材|中性子減速材]]となる。天然のリチウムの約7.5%は[[リチウム6]]だが、これは中性子を吸収して[[アルファ粒子]]と[[三重水素|トリチウム]]に崩壊するため、FLiBeの中性子の吸収を抑えるためにほぼ純粋な[[リチウム7]]が使用される<ref>{{Cite web |url=https://energyfromthorium.com/2010/09/28/lisep1/ |title=The Pea and the Beach-Ball – Energy From Thorium |access-date=2024-09-12}}</ref>。例えば、MSREの二次冷却材に使われたFLiBeのリチウムは99.993%がリチウム7だった<ref>{{Cite web |url=http://blogs.knoxnews.com/munger/2011/10/in-czech-ornl-part-of-nuclear.html |title=In Czech: ORNL part of nuclear R&D pact |access-date=2024-09-12 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20120422195118/http://blogs.knoxnews.com/munger/2011/10/in-czech-ornl-part-of-nuclear.html |archive-date=2012-04-22}}</ref>。リチウム7が中性子を吸収すると[[ベータ崩壊]]と[[アルファ崩壊]]を経て[[ベータ粒子]]と[[アルファ粒子]]に崩壊する。

[[ベリリウム]]は[[高速中性子]]が当たると2つの[[アルファ粒子]]と2つの[[中性子]]に分裂することがある。[[フッ素]]は(α,n)反応に対して無視できない[[反応断面積|断面積]]を有しているため、中性子工学を計算する際にはこれを考慮する必要がある<ref>https://www.oecd-nea.org/janisweb/book/alphas/F19/MT4/renderer/226%5B%5D</ref>。

== 応用 ==
{{仮リンク|トリウム溶融フッ化物塩炉|en|Liquid fluoride thorium reactor}}では、[[核燃料物質]]の[[溶媒]]及び[[減速材]]並びに[[冷却材]]として利用される。

他の[[溶融塩原子炉]]でもFLiBeを[[冷却材]]として利用するが、溶媒としての利用はせず従来の固体[[核燃料]]を使用する。

液体FLiBe塩は[[マサチューセッツ工科大学|MIT]]による[[トカマク型]]{{仮リンク|ARC核融合炉|en|ARC fusion reactor}}でのトリチウム製造と冷却用の液体ブランケットとしても提案された<ref>{{Cite journal|last=Sorbom|first=B.N.|last2=Ball|first2=J.|last3=Palmer|first3=T.R.|last4=Mangiarotti|first4=F.J.|last5=Sierchio|first5=J.M.|last6=Bonoli|first6=P.|last7=Kasten|first7=C.|last8=Sutherland|first8=D.A.|last9=Barnard|first9=H.S.|date=2015-11|title=ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0920379615302337|journal=Fusion Engineering and Design|volume=100|pages=378–405|language=en|doi=10.1016/j.fusengdes.2015.07.008}}</ref>。

== 関連項目 ==

* {{仮リンク|FLiNaK|en|FLiNaK}}
* [[溶融塩原子炉]]
* {{仮リンク|トリウム溶融フッ化物塩炉|en|Liquid fluoride thorium reactor}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}

=== 出典 ===
<references />
[[Category:減速材]]
[[Category:リチウムの化合物]]
[[Category:ベリリウムの化合物]]
[[Category:フッ化物]]
[[Category:冷却材]]