Тип работы:
Предмет:
Язык работы:


Экспериментальное исследование вязкости перспективных жидкометаллических теплоносителей Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In для ядерной энергетики

Работа №101280

Тип работы

Авторефераты (РГБ)

Предмет

физика

Объем работы24
Год сдачи2012
Стоимость250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
201
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Общая характеристика работы
Введение
Содержание работы
Основные результаты и выводы диссертационной работы
Литература

Актуальность темы исследования. Атомные электростанции (АЭС) являются важным компонентом энергетического комплекса любого технологически развитого государства. От их стабильной и безопасной работы зависит функционирование промышленных предприятий и уровень жизни населения. Как известно, большинство АЭС в нашей стране и за рубежом введены в эксплуатацию во второй половине прошлого века, а значит, сегодня многие из реакторов выработали свой ресурс и становятся опасными в аварийном отношении. Аварийные же ситуации на АЭС, в результате которых может разрушиться активная зона реактора и, как следствие, произойти радиоактивное заражение окружающей среды, совершенно не допустимы. Поэтому сегодня стоит задача создания новых реакторов, обладающих повышенной надежностью и улучшенными техническими характеристиками. К этим агрегатам, в первую очередь, можно отнести реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем в первичном контуре охлаждения. До сих пор в качестве такого теплоносителя использовался жидкий натрий. Однако его высокая химическая активность и ряд других отрицательных качеств диктуют необходимость поиска новых перспективных жидкометаллических теплоносителей для ядерной энергетики, исследования их теплофизических свойств и создания таблиц справочных данных. Известно, что в критических и нештатных ситуациях температура в активной зоне реактора может изменяться в широких пределах и, в частности, от свойств теплоносителя зависит течение и последствия аварии. Необходимо принимать во внимание возможность как обратимых, так и необратимых структурных переходов в теплоносителе под действием высоких температур, что ранее при проектировании ядерных реакторов не учитывалось. Согласно литературным данным, в качестве перспективных жидкометаллических теплоносителей могут быть использованы расплавы систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In и, в первую очередь, их эвтектические композиции.
Вязкость является одним из важнейших теплофизических свойств расплавленных металлов и сплавов. Значения вязкости, полученные в достаточно широком интервале температур, определяют режимы течения теплоносителя по трубам теплообменных аппаратов. Кроме того, вязкость - свойство, чувствительное к изменениям структуры теплоносителя. В частности, несовпадение температурных зависимостей вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении (гистерезис вязкости) дает информацию о возможных необратимых изменениях этой структуры и позволяют определить температуры указанных перестроек.
Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы было систематическое исследование кинематической вязкости расплавов Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в широком интервале составов и температур, поиск особенностей на ее температурных и концентрационных зависимостях, связанных со структурными перестройками, и, наконец, составление таблиц справочных данных по вязкости указанных теплоносителей.
В соответствии с этим, перед диссертантом были поставлены следующие основные задачи:
- Модернизировать установку для измерения кинематической вязкости методом, основанным на фиксировании периода и декремента затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследуемым расплавом, с целью повышения чувствительности и точности определения фиксируемых величин и снижения трудоемкости измерений.
- Исследовать температурные зависимости кинематической вязкости расплавов Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в интервале составов от 0 до 100% второго компонента в ходе нагрева образца до 1100°С после его расплавления и в процессе последующего охлаждения.
- Проанализировать полученные зависимости с целью обнаружения признаков необратимых структурных перестроек в исследованных расплавах, определить температуры этих перестроек.
- По результатам, полученным при охлаждении, рассчитать значения вязкости при фиксированных температурах и на их основе построить таблицы справочных данных по вязкости теплоносителей.
- Построить изотермы вязкости гомогенных расплавов, обратив особое внимание на наличие и локализацию их особенностей.
- Определить концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения исследованных теплоносителей.
- Дать рекомендации по режимам эксплуатации перспективных теплоносителей в ядерных реакторах нового поколения.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
- В широком интервале составов и температур исследованы температурные зависимости кинематической вязкости расплавов систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в ходе нагрева образцов после плавления и при последующем охлаждении.
- Для большинства составов обнаружено ветвление температурных зависимостей кинематической вязкости, полученных при нагреве и при последующем охлаждении образцов (гистерезис вязкости).
- По точкам ветвления указанных кривых определены температуры гомогенизации изученных расплавов.
- Построены изотермы вязкости и концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения гомогенных расплавов Bi-Pb, Ga-In и Pb-Sn в интервале составов от 0 до 100 % второго компонента.
- Созданы таблицы справочных данных по вязкости указанных перспективных теплоносителей.
Практическая ценность работы.
- Полученные температурные и концентрационные зависимости кинематической вязкости, а также значения энергий активации вязкого течения жидких сплавов Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании и создании ядерных энергетических установок на быстрых нейтронах.
- Определенные экспериментально температуры гомогенизации указанных расплавов важны для определения оптимальных режимов эксплуатации ядерных реакторов.
Защищаемые положения:
- При измерении температурных зависимостей кинематической вязкости расплавов систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в ходе нагрева образцов после плавления до 1100 °С и при последующем охлаждении наблюдается их расхождение, связанное с необратимым переходом расплавов из метастабильного микрогетерогенного состояния, унаследованного от гетерогенного исходного кристаллического образца, в состояние истинного раствора. Возможность подобного перехода на начальном этапе эксплуатации теплоносителя необходимо принимать во внимание при отработке режимов проведения этого этапа.
- Точки ветвления указанных выше зависимостей определяют температуры перехода расплавов в гомогенное состояние, а по величине их расхождения в гидродинамическом приближении можно оценить объемную долю дисперсных частиц в микрогетерогенных расплавах Bi-Pb и Pb-Sn при различных температурах.
- Температурные зависимости вязкости, полученные при охлаждении исследованных расплавов, с хорошей точностью аппроксимируются экспоненциальными функциями, что свидетельствует о гомогенности системы. Эти зависимости могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании теплообменных аппаратов ЯЭУ.
Личный вклад автора. Для повышения точности определения периода и декремента затухания колебаний и автоматизации проводимых экспериментов автором совместно с Д.А.Ягодиным был модернизирован крутильно-колебательный вискозиметр. Автор лично оптимизировал параметры подвесной системы установки, провел вискозиметрические исследования жидких сплавов систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In, оценил погрешность измерений и обработал результаты.
Планирование экспериментов, обсуждение и интерпретация их результатов проводились совместно с научным руководителем и Н.Ю.Константиновой. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
- Использованием апробированных методов вискозиметрии расплавов.
- Повышением точности регистрации периода и декремента затухания колебаний тигля с исследуемым расплавом.
- Корректной оценкой погрешности измерений.
- Воспроизводимостью полученных результатов и обнаруженных эффектов.
- Согласием результатов с имеющимися литературными данными по вязкости жидких металлов и сплавов.
Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих Международных и Российских конференциях и семинарах: 14th International Conference on Liquid and Amorphous Metals, Рим, 2010 г.; Межотраслевом семинаре «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика- 2010)», Обнинск, 2010 г.; X Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», Курган, 2010 г.; XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 2011 г.; XIV Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, Новосибирск, 2011 г.; VI Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011 г.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 12 работах, из них одна статья - в рецензируемом научном журнале, 4 статьи в сборниках трудов перечисленных выше конференций и 7 тезисов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 103 наименований. Она изложена на 110 страницах, содержит 8 таблиц и 34 рисунка.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!


1. Модернизирована установка по измерению кинематической вязкости методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследованным расплавом с целью повышения чувствительности и точности определения декремента затухания. В условиях оптимизированных параметров подвесной системы расплавы Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In классифицированы как слабовязкие жидкости.
Усовершенствованная система регистрации декремента затухания колебаний существенно уменьшила случайную составляющую погрешности его определения и позволила свести к минимуму трудоемкость не только самого эксперимента, но и последующей обработки его результатов.
2. Измерены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в ходе нагрева образцов после плавления до 1100 °С и при последующем охлаждении. По точкам ветвления указанных кривых определены температуры необратимого перехода расплавов из метастабильного микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора.
3. Для большинства исследованных сплавов обнаружено ветвление температурных зависимостей кинематической вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении (гистерезис вязкости); автор связывает данный эффект с необратимым переходом расплава из метастабильного микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора (гомогенизацией расплава). По точкам ветвления температурных зависимостей определены температуры перехода расплава в гомогенное состояние. В гидродинамическом приближении оценена объемная доля дисперсных частиц в микрогетерогенных расплавах Bi-Pb и Pb-Sn при различных температурах.
4. По полученным экспериментальным кривым методом кубической сплайн- интерполяции рассчитаны значения вязкости при фиксированных температурах (с шагом 50 °С), которые могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании теплообменных аппаратов ЯЭУ.
5. Построены изотермы вязкости изученных систем, а также концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения; на них отмечен ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание при определении оптимальных концентраций циркулируемого сплава.



1. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Natalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome 11-16 july 2010, “Sapienza” - University of Rome. - P.104.
2. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, А.В. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы докладов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» / Сборник тезисов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)» / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. - 2010. - С.64¬66.
3. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, А.В. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Сборник трудов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» на CD / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. - 2010.
4. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости жидких галлия, индия и их сплавов [Текст] / М.А. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С.Попель, А.Г. Мозговой / Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов: Труды Х Российского семинара / Под общей ред. Б.С. Воронцова. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010 - С. 105-106.
5. Guzachev M. Experimental research of viscosity temperature dependences of molten bismuth, lead and their eutectic alloy (Bi-55.5at.%Pb) range [Текст] M. Guzachev and N. Konstantinova / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome 11-16 july 2010, “Sapienza” - University of Rome. - P.184.
6. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г. - Новосибирск, 2011- С.215-216.
7. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г. - Новосибирск, 2011. - 1 CD-ROM. - ISBN 978-5-89017-030-9.
8. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель / Сборник тезисов VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», 17-19 октября 2011 г. - Екатеринбург: УрФУ - 2011. - С.94.
9. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидких олова свинца и их взаимного эвтектического сплава [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю .Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН. - 2011. - С.19-20.
10. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость расплавов свинец-висмут и галлий- индий [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. - С. 107-110.
11. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Natalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / EPJ Web of Conferences - Vol. 15, 01014. - 2011.
12. Гузачев М.А Температурные зависимости кинематической вязкости висмута, свинца и их взаимных расплавов [Текст] / M.A. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Теплофизика и аэромеханика, 2011. - Том 18. - No.3. - С.485-491.


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2024 Cервис помощи студентам в выполнении работ