LiF-NaF-KF共晶熔盐微观结构与物化性质的分子动力学研究

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熔盐反应堆是未来核能发展6大技术路线之一,其中,LiF-NaF-KF(又称FLiNaK)共晶体系作为熔盐反应堆(MSR)的优良冷却剂和溶剂,将核燃料溶解在其中,可以有效简化核反应堆的结构。同时作为载体,改善体系共熔体的物理化学性质,提高能量效率,并使反应堆在更加安全的环境下运行。因此,对该体系得研究受到研究者得广泛关注。其结构和物化性能是其应用过程中亟待解决的关键问题。本文采用分子动力学模拟的方法,结合可极化的核壳模型以及WBK势,对比实验数据,对LiF、NaF、KF及其FLiNaK共晶体系的密度,微观结构、扩散系数、电导率、粘度和表面张力进行了研究,主要结果如下:(1)熔盐的计算密度与实测值变化趋势一致,随温度的升高,体系内未被离子占据的自由体积增加,导致密度减小。(2)LiF、NaF、KF及FLiNaK共晶体系熔盐由简单Li+、Na+、K+、F-离子构成,结构短程有序,长程无序,阴阳离子交替排布。温度升高对熔盐的结构无显著影响,阴阳离子间配位结构基本稳定,配位数有微小变化。确定了F-离子平均配位间距为3.12(?),配位阳离子的平均第一配位间距[r(Li+),r(Na+),r(K+)]分别为1.84(?),2.20(?),2.54(?),同时,明确了F-离子与碱金属阳离子的配位数大小随着碱金属阳离子半径增大而增大,大小顺序为N(F-K)>N(F-Na)>N(F-Li)。(3)在LiF、NaF、KF中,阴阳离子的扩散系数均随温度升高而增大,离子质量越大,扩散系数就越小,LiF-NaF-KF共晶熔盐中扩散系数大小顺序为F->K+>Na+>Li+。(4)LiF、NaF、KF及FLiNaK共晶体系计算电导率随温度的升高而增大,与测量值变化一致,与实测值相比有一定偏差,表明仅考虑扩散常数的能斯特方程添加外电场作用的修正项,才能适用于电导率计算。(5)LiF、NaF、KF及FLiNaK共晶熔盐体系粘度随温度升高呈非线性减小,且熔盐的粘度与碱金属离子半径有关,计算值能够准确表达温度、碱金属离子半径与粘度的定性关系,计算粘度值较已有实验值呈负偏差。(6)LiF、NaF、KF及FLiNaK共晶体系熔盐表面张力与温度存在良好的线性关系,表面张力主要受体系中阴阳离子的库仑力的影响,阴阳离子间库仑力越大,阴阳离子结合越紧密,体系的表面张力越大。
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