Авторы
Лаврова О.В., Иванов К.Д., Ниязов С.-А.С., Асхадуллин Р.Ш., Легких А.Ю.
Организация
Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского, Обнинск, Россия
Аннотация
С точки зрения химической кинетики и термодинамики рассмотрена система, включающая взаимодействие железа с кислородом, парциальное давление которого обеспечивается на уровне рабочего диапазона окислительного потенциала тяжелых жидкометаллических технологий (ТЖМТ). Взаимодействие конструкционных сталей с жидкими расплавами {Pb-Bi} или {Pb} исключено из анализа с целью упрощения системы и выявления влияния только одного фактора – парциального давления кислорода.
Проведенный анализ позволил сделать следующие выводы:
В начальный период пассивации конструкционных материалов в расплавах свинца или свинца-висмута фронт реакции окисления может располагаться в пределах внешнего диффузионного (жидкого) подслоя в относительном удалении от твердой поверхности.
Степень удаления фронта реакции от твердой поверхности в этот период определяется парциальным давлением кислорода или его концентрацией в расплаве.
Следствием удаления фронта реакции от твердой поверхности является превалирование объемной конденсации продуктов реакции (магнетита) над поверхностной конденсацией и формирование пористых покрытий большей толщины, но меньшей плотности. В предельном случае продукты реакции могут конденсироваться в дисперсные частицы, отводимые из диффузионного слоя во внешнюю среду (регулярные потери).
В неизотермических контурах реакторных установок с ТЖМТ всегда реализуются условия для массопереноса компонентов конструкционных материалов горячей зоны из стали в теплоноситель, поскольку остаточная (равновесная) активность железа при образовании магнетита составляет значительную величину (aFe≈10–2 ÷ 10–1). Это означает, что не все вышедшее из стали железо способно встраиваться в оксидную пленку. В пределе при перемещении фронта реакции на внешнюю границу оксидной пленки практически все железо может уходить в теплоноситель.
Представленный подход можно распространить на другие элементы, входящие в состав стали. Однако при этом зона реакции будет постепенно смещаться вглубь твердого материала, а суммарный процесс переходить под контроль диффузии кислорода в твердом материале.
Ключевые слова
жидкометаллические теплоносители, внешняя диффузия, конструкционные стали, окисление, термодинамика, неизотермические контуры, оксидные пленки, дисперсные частицы, концентрация кислорода, равновесная активность железа, потери, магнетит
УДК 621.039.534.6
Вопросы атомной науки и техники. Cер. Ядерно-реакторные константы, 2014, вып. 1, 1:8