ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ СИСТЕМЫ ВiРb-8п-Са
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ 3
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
Заключение 23
Список литературы 23
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 8
Заключение 23
Список литературы 23
Актуальность темы. Жидким металлам и сплавам в последние годы наука уделяет особое внимание ввиду широкой возможности их применения. Для целей использования жидких металлов, в качестве теплоносителей эффективно отводящих тепло из активных зон реактора применяют металлы с относительно низкой температурой плавления (натрий, литий, калий, свинец, олово, висмут), высокой температурой кипения, относительно высокой теплопроводностью, малой вязкостью и другими подходящими физическими свойствами. Низкое давление пара при высоких температурах позволяет использовать многие металлы в качестве теплоносителя в особо напряженных условиях при температурах 7ОО-800оС, когда все другие вещества (вода, органические соединения) не пригодны.
В последние годы активно прорабатываются концепции использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей [ТЖМТ], так как они удовлетворяют требованиям обеспечения безопасности. Применение ТЖМТ позволяет исключить такие тяжелые аварии, как «разгон» реактора на мгновенных нейтронах, потерю теплоносителя, химические взрывы и пожары при разгерметизации реакторного контура, разрыв корпуса реактора под действием сил внутреннего давления, исключить расплавление элементов активной зоны при полном обесточивании энергоблока на время около 5 суток.
По критериям безопасности все ТЖМТ, безусловно, превосходят литиевые жидкометаллические теплоносители, что побуждает проводить дальнейшие исследования в этой области.
Система В1-8п-РЬ-Сб применяется в закалочных печах, технологических установках (переработка отравляющих веществ), системах пожаротушения. Выбор данной системы с целью применения её в качестве тяжелого жидкометаллического теплоносителя обусловлен следующими обстоятельствами: данный сплав обладает низкой температурой плавления (~70оС) и высокой температурой кипения (~1700оС), содержит в своем составе РЬ, Бп, В1.
Для целей использования расплава в качестве теплоносителя необходимы знание по теплофизическим свойствам, которые определяются составом расплава в конденсированной и паровой фазе.
Степень разработанности темы исследования. Проблемами использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике занимались: Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Фердынский О.С., Кириллов П.Л., Хорасанов Г.Л., Самохин Д.С., Зевякин А.С., Земсков Е,А, Блохин А.И., Безносов Л.В., Драгунов Ю.Г., Боков А.В., Рачков
B. И., Кащеев М.В., Кузнецов И.А., Сорокин А.П., Кузин Ю.А., Легких А.Ю., Лаврова О.В., Жуков А.В., Загорулько Ю.И., Орлов Ю.И., Труфанов А.А., Камаев А.А. и др. Термодинамические исследования металлических расплавов проводили Taylor N.W., Elliot J., Никольская А.В., Герассимова Я.И., Швидковский Е.Г., Горяга Г.И., Станкус С.В., Савватимский А.И., Онуфриев
C. В., Конюхов С.А., Мубояджян С.А., Середкин Н.Н., Хайрулин Р.А., Абдулаев Р.Н., Агаджанов А.Ш., Талуц С.Г., Ивлиев А.Д., Мешков В.В., Коршунов И.Г., Горбатов В.И., Полев В.Ф, Глагольева Ю.В. и др. Исследовали сплавы различных систем методом термодинамического моделирования: Моисеев Г.К., Трусов Б.Г., Ватолин Н.А., Сидоров В.Е., Ильиных Н.И., Куликова Т.В., Тереньев Д.И. и др.
Цель работы: исследование термических свойств расплава системы Bi- Pb-Sn-Cd в атмосфере Ar, и воздуха при нагревании до высоких температур с целью применения его в качестве теплоносителя.
В соответствии с поставленной целью были сформированы следующие
задачи:
1. провести обзор, посвященный степени исследования расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd. Выявить возможность образования в расплаве металлических соединений и оксидных соединений, оценить их теплофизические характеристики;
2. получить термограммы нагрева и охлаждения сплава системы Bi-Pb- Sn-Cd;
3. выполнить термодинамическое моделирование: а) термических процессов в расплаве системы Bi-Pb-Sn-Cd в атмосфере Ar и окислительной атмосфере; б) термических процессов в индивидуальных интерметаллических соединениях в инертной атмосфере и окислительной атмосфере;
4. оценить константы равновесия реакций термической диссоциации, протекающих в расплаве системы Bi-Pb-Sn-Cd и реакций диссоциации индивидуальных интерметаллических соединений в инертной и окислительной атмосферах;
5. рассчитать теплофизические свойства и температуры фазовых переходов: расплав системы Bi-Pb-Sn-Cd - инертная атмосфера; расплав системы Bi-Pb-Sn-Cd - окислительная атмосфера; интерметаллическое соединение - инертная атмосфера; интерметаллическое соединение - окислительная атмосфера.
В последние годы активно прорабатываются концепции использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей [ТЖМТ], так как они удовлетворяют требованиям обеспечения безопасности. Применение ТЖМТ позволяет исключить такие тяжелые аварии, как «разгон» реактора на мгновенных нейтронах, потерю теплоносителя, химические взрывы и пожары при разгерметизации реакторного контура, разрыв корпуса реактора под действием сил внутреннего давления, исключить расплавление элементов активной зоны при полном обесточивании энергоблока на время около 5 суток.
По критериям безопасности все ТЖМТ, безусловно, превосходят литиевые жидкометаллические теплоносители, что побуждает проводить дальнейшие исследования в этой области.
Система В1-8п-РЬ-Сб применяется в закалочных печах, технологических установках (переработка отравляющих веществ), системах пожаротушения. Выбор данной системы с целью применения её в качестве тяжелого жидкометаллического теплоносителя обусловлен следующими обстоятельствами: данный сплав обладает низкой температурой плавления (~70оС) и высокой температурой кипения (~1700оС), содержит в своем составе РЬ, Бп, В1.
Для целей использования расплава в качестве теплоносителя необходимы знание по теплофизическим свойствам, которые определяются составом расплава в конденсированной и паровой фазе.
Степень разработанности темы исследования. Проблемами использования тяжелых жидкометаллических теплоносителей в атомной энергетике занимались: Боришанский В.М., Кутателадзе С.С., Новиков И.И., Фердынский О.С., Кириллов П.Л., Хорасанов Г.Л., Самохин Д.С., Зевякин А.С., Земсков Е,А, Блохин А.И., Безносов Л.В., Драгунов Ю.Г., Боков А.В., Рачков
B. И., Кащеев М.В., Кузнецов И.А., Сорокин А.П., Кузин Ю.А., Легких А.Ю., Лаврова О.В., Жуков А.В., Загорулько Ю.И., Орлов Ю.И., Труфанов А.А., Камаев А.А. и др. Термодинамические исследования металлических расплавов проводили Taylor N.W., Elliot J., Никольская А.В., Герассимова Я.И., Швидковский Е.Г., Горяга Г.И., Станкус С.В., Савватимский А.И., Онуфриев
C. В., Конюхов С.А., Мубояджян С.А., Середкин Н.Н., Хайрулин Р.А., Абдулаев Р.Н., Агаджанов А.Ш., Талуц С.Г., Ивлиев А.Д., Мешков В.В., Коршунов И.Г., Горбатов В.И., Полев В.Ф, Глагольева Ю.В. и др. Исследовали сплавы различных систем методом термодинамического моделирования: Моисеев Г.К., Трусов Б.Г., Ватолин Н.А., Сидоров В.Е., Ильиных Н.И., Куликова Т.В., Тереньев Д.И. и др.
Цель работы: исследование термических свойств расплава системы Bi- Pb-Sn-Cd в атмосфере Ar, и воздуха при нагревании до высоких температур с целью применения его в качестве теплоносителя.
В соответствии с поставленной целью были сформированы следующие
задачи:
1. провести обзор, посвященный степени исследования расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd. Выявить возможность образования в расплаве металлических соединений и оксидных соединений, оценить их теплофизические характеристики;
2. получить термограммы нагрева и охлаждения сплава системы Bi-Pb- Sn-Cd;
3. выполнить термодинамическое моделирование: а) термических процессов в расплаве системы Bi-Pb-Sn-Cd в атмосфере Ar и окислительной атмосфере; б) термических процессов в индивидуальных интерметаллических соединениях в инертной атмосфере и окислительной атмосфере;
4. оценить константы равновесия реакций термической диссоциации, протекающих в расплаве системы Bi-Pb-Sn-Cd и реакций диссоциации индивидуальных интерметаллических соединений в инертной и окислительной атмосферах;
5. рассчитать теплофизические свойства и температуры фазовых переходов: расплав системы Bi-Pb-Sn-Cd - инертная атмосфера; расплав системы Bi-Pb-Sn-Cd - окислительная атмосфера; интерметаллическое соединение - инертная атмосфера; интерметаллическое соединение - окислительная атмосфера.
Исследован состав фазовых составляющих в микроструктуре закристаллизованных образцов системы 42.0масс.% В1 - 40.6масс.% РЬ - 10.0масс% 8п - 7.4масс% Сб подверженных нагреву до 1500С и перегреву до 500ОС. Результаты термического и микрорентгеноспектрального анализа позволяют предположить о существовании в расплаве помимо атомов В1, РЬ, 8п, Сб металлических соединений, которые могут присутствовать в нем в виде кластеров.
1. а) Исследованы термические процессы, происходящие в расплаве системы В1-РЬ-8п-Сб (с учетом возможностей образования металлических соединений) в инертной атмосфере при различных внешних условиях в диапазоне температур з00-з000К. Впервые установлено наличие в расплаве В1-РЬ-8п-Сб в инертной атмосфере 15 металлических соединений: РЬзВД РЬЗпз, РЬзВ14, РЬЗп, СбЗп, СбзВ12, 8пзВ1,8пВ1, В1РЬ, В1?РЬз, В1?РЬ, В123пз, ЗщВху РЬВ123п2, РЬ5В143п4. Оценены их теплофизические характеристики и 19
проведена верификация с имеющимися в литературе экспериментальными данными. б) Исследованы термические процессы, происходящие в индивидуальных двойных и тройных интерметаллических соединений в инертной атмосфере и атмосфере воздуха с учетом возможности образования более простых соединений. В инертной атмосфере большей термической устойчивостью обладают соединения: SnsBi, CdSn, PbSns и PbsBi4Sn4.
2. Оценены константы равновесий реакций термической диссоциации, протекающих в инертной атмосфере для расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd и индивидуальных 2-х и тройных интерметаллических соединений.
Установлено, что для ряда соединений равновесие сдвинуто в сторону образования исходных веществ: SniBis, BisSns, CdsBis, PbsBi4Sn4.
Исследовано окисление расплава системы Ar - 42.0масс. % Bi - 40.6масс. % Pb - 10.0масс. % Sn - 7.4масс. % Cd-2S,1масс. %Os для Р=102-107Па с учетом возможности образования простых и сложных оксидных соединений. Оценены константы равновесия реакций. В присутствии кислорода реакции протекают более сложным образом. На процесс протекания реакций существенным образом оказывает влияние внешнее давление.
S. Рассчитаны теплофизические свойства и температуры фазовых переходов следующих систем: Bi-Pb-Sn-Cd - инертная атмосфера; Bi-Pb-Sn- Cd - окислительная атмосфера; интерметаллическое соединение - инертная атмосфера; интерметаллическое соединение - окислительная атмосфера. При низких давлениях в атмосфере воздуха наблюдается смещение температуры фазовых переходов в область более низких температур. В области более высокого давления (от 104 Па.) температуры фазовых переходов в атмосфере кислорода значительно превышают (на 200К) значения температур фазовых переходов в инертной атмосфере. При 105 Па. Наличие воздуха в системе не оказывает существенного влияния на значение температуры фазового перехода. Повышение давления ведет к смещению температуры фазового перехода в высокотемпературную область.
Впервые установлено наличие в расплаве в кислородосодержащей атмосфере:
а) в конденсированной фазе: Bi, Pb, Sn, Cd, BiPb, SnBi, PbSn, CdsBis, PbsBi, Bi7Pb, Bi7Pbs, Bi5Pbs, CdSn, SnsBi, BisSns, PbBisSns;
б) в оксидной фазе: PbSnOs, SnO, PbO, BiO, SnOs, PbsBisOs, PbsBisO6, Bi4PbO7, BisCdO4, CdO, CdSnOs, BisPbO4, BisSnsO7, Bi4CdO, CdsPbO4, BisOs;
в) в паровой фазе: Pb, Bi, Cd, Bis, SnO, PbO, SnsOs, Os, BiO, Pbs, O, Sn, Cds, Bi4, PbsO2, SnOs, CdO, PbOs, Bis, Sn2.Теплофизические свойства простых оксидов заимствованы из справочных данных, теплофизические свойства
сложных оксидных соединений рассчитаны и хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
Перспективы дальнейшего развития темы: исследование перспективных жидкометаллических теплоносителей методом
термодинамического моделирования с целью определения теплофизических свойств необходимых для проведения инженерных расчетов.
1. а) Исследованы термические процессы, происходящие в расплаве системы В1-РЬ-8п-Сб (с учетом возможностей образования металлических соединений) в инертной атмосфере при различных внешних условиях в диапазоне температур з00-з000К. Впервые установлено наличие в расплаве В1-РЬ-8п-Сб в инертной атмосфере 15 металлических соединений: РЬзВД РЬЗпз, РЬзВ14, РЬЗп, СбЗп, СбзВ12, 8пзВ1,8пВ1, В1РЬ, В1?РЬз, В1?РЬ, В123пз, ЗщВху РЬВ123п2, РЬ5В143п4. Оценены их теплофизические характеристики и 19
проведена верификация с имеющимися в литературе экспериментальными данными. б) Исследованы термические процессы, происходящие в индивидуальных двойных и тройных интерметаллических соединений в инертной атмосфере и атмосфере воздуха с учетом возможности образования более простых соединений. В инертной атмосфере большей термической устойчивостью обладают соединения: SnsBi, CdSn, PbSns и PbsBi4Sn4.
2. Оценены константы равновесий реакций термической диссоциации, протекающих в инертной атмосфере для расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd и индивидуальных 2-х и тройных интерметаллических соединений.
Установлено, что для ряда соединений равновесие сдвинуто в сторону образования исходных веществ: SniBis, BisSns, CdsBis, PbsBi4Sn4.
Исследовано окисление расплава системы Ar - 42.0масс. % Bi - 40.6масс. % Pb - 10.0масс. % Sn - 7.4масс. % Cd-2S,1масс. %Os для Р=102-107Па с учетом возможности образования простых и сложных оксидных соединений. Оценены константы равновесия реакций. В присутствии кислорода реакции протекают более сложным образом. На процесс протекания реакций существенным образом оказывает влияние внешнее давление.
S. Рассчитаны теплофизические свойства и температуры фазовых переходов следующих систем: Bi-Pb-Sn-Cd - инертная атмосфера; Bi-Pb-Sn- Cd - окислительная атмосфера; интерметаллическое соединение - инертная атмосфера; интерметаллическое соединение - окислительная атмосфера. При низких давлениях в атмосфере воздуха наблюдается смещение температуры фазовых переходов в область более низких температур. В области более высокого давления (от 104 Па.) температуры фазовых переходов в атмосфере кислорода значительно превышают (на 200К) значения температур фазовых переходов в инертной атмосфере. При 105 Па. Наличие воздуха в системе не оказывает существенного влияния на значение температуры фазового перехода. Повышение давления ведет к смещению температуры фазового перехода в высокотемпературную область.
Впервые установлено наличие в расплаве в кислородосодержащей атмосфере:
а) в конденсированной фазе: Bi, Pb, Sn, Cd, BiPb, SnBi, PbSn, CdsBis, PbsBi, Bi7Pb, Bi7Pbs, Bi5Pbs, CdSn, SnsBi, BisSns, PbBisSns;
б) в оксидной фазе: PbSnOs, SnO, PbO, BiO, SnOs, PbsBisOs, PbsBisO6, Bi4PbO7, BisCdO4, CdO, CdSnOs, BisPbO4, BisSnsO7, Bi4CdO, CdsPbO4, BisOs;
в) в паровой фазе: Pb, Bi, Cd, Bis, SnO, PbO, SnsOs, Os, BiO, Pbs, O, Sn, Cds, Bi4, PbsO2, SnOs, CdO, PbOs, Bis, Sn2.Теплофизические свойства простых оксидов заимствованы из справочных данных, теплофизические свойства
сложных оксидных соединений рассчитаны и хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
Перспективы дальнейшего развития темы: исследование перспективных жидкометаллических теплоносителей методом
термодинамического моделирования с целью определения теплофизических свойств необходимых для проведения инженерных расчетов.
