2021, Выпуск 3

DOI: 10.55176/2414-1038-2021-3-123-135

Авторы

Алчагиров Б.Б., Хибиев А.Х.

Организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет имени Х.М. Бербекова», Нальчик, Россия

Алчагиров Б.Б. – профессор, доктор физико-математических наук. Контакты: 360004, Кабардино-Балкарская республика, Нальчик, ул. Чернышевского, 173. Тел. +7 (928) 723-25-56; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript., Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Хибиев А.Х. – аспирант.

Аннотация

Жидкий свинец и эвтектический сплав свинец-висмут (Pb₄₅Bi₅₅) в 1950-х годах прошлого столетия рассматривались кандидатами для использования в качестве теплоносителя для ядерных энергетических систем в СССР и США. Тогда же сплав (Pb₄₅Bi₅₅), впервые предложенный А.И. Лейпунским, был выбран в качестве теплоносителя для атомной подводной лодки «Альфа», по своим тактико-техническим данным опередившей свое время. Однако в 1968 году одна из них потерпела тяжелую радиационную аварию, вызванную расплавлением тепловыделяющих элементов активной зоны бортового ядерного реактора вследствие выпадения из теплоносителя в осадок оксидов и их накопления, в результате чего было перекрыто сечение трубопровода и резко ухудшилось охлаждение реактора, что и привело к его выходу из строя. По сути, первопричиной аварии явился недостаток знаний о физико-химических и технологических свойствах теплоносителя свинец-висмут. Таким образом, основной недостаток теплоносителя Pb₄₅Bi₅₅ заключается в его коррозионной агрессивности к конструкционным материалам, используемым в ЯЭУ. Но было обнаружено, что коррозия жидкими свинцовыми сплавами может быть уменьшена путем регулирования уровня содержания кислорода в теплоносителе. Например, скорость коррозии мартенситной стали при 770 К в проточном теплоносителе Pb₄₅Bi₅₅ без кислорода составляет около 1 мм в год, но она может быть уменьшена до 0,01 мм в год, т. е. в 100 раз, если растворить в теплоносителеPb₄₅Bi₅₅ кислород и поддерживать его массовую концентрацию на уровне 0,01 ppm (пропромилле).
Наблюдаемый эффект объясняется защитой, которую обеспечивает оксидный слой, сформированный на стальной поверхности трубопровода. Таким образом, для более глубокого понимания явлений, происходящих на границах разделов «жидкометаллические «теплоносители – газы» актуальной остается изучение процессов формирования и разрушения защитного оксидного слоя и его поведения в жидких теплоносителях, особенно с точки зрения долгосрочной эксплуатации ЯЭУ. В этом плане данные о поверхностном натяжении межфазных границ «теплоноситель – газы» имеют важное научное и практическое значение. В связи с этим в настоящей работе ставится задача экспериментального изучения влияния атмосферного воздуха на поверхностное натяжение эвтектического расплава Pb₄₅Bi₅₅. Измерения поверхностного натяжения приготовленного авторами эвтектического расплава Pb_44,6Bi_55,4 осуществлены при температуре T = 555 К в безостановочном режиме последовательно, в условиях статического вакуума и атмосферного воздуха, на одной и той же поверхности. Полученные в работе около трех сотен экспериментальных точек позволили описать динамику процесса изменения ПН в зависимости от времени экспозиции поверхности теплоносителя в вакууме и атмосферном воздухе.
Показано, что в сравнении с результатами, полученными авторами методом большой лежащей капли в условиях статического вакуума, за первые 10 минут с начала экспозиции эвтектического расплава в атмосферном воздухе давлением около 300 мм рт.  ст., поверхностное натяжение эвтектики Pb_44,6Bi_55,4 понижается на 55 мН/м и более, что на порядок превышает суммарную погрешность (2 %) наших измерений.

Ключевые слова
граница раздела жидкость-газ, свинец, висмут, эвтектический сплав, теплоноситель, поверхностное натяжение, вакуум, атмосферный воздух, кислород, растворимость, концентрация, межфазные границы, адсорбция, диффузия, окисление, окисные пленки

Полная версия статьи (PDF)

Список литературы

УДК 621.039; 532.61; 541.18; 66.071.7; 669.094.3

Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2021, выпуск 3, 3:9