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 Pb44,6Bi55,4 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 Pb44,6Bi55,4 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
- Heavy Liquid-Metal Coolants in Nuclear Technologies (HLMC-2018): book of abstracts of the fifth conference. Obninsk, IPPE, 2018. 155 p.
- Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2018): материалы конференции. Обнинск, ГНЦ РФ – ФЭИ, 2019, 581 с.
- Жуков А.В., Кузина Ю.А., Белозеров В.И. Реакторы с тяжелым теплоносителем и некоторые теплогидравлические данные для них. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2011, № 3, с. 100–136.
- Мартынов П.Н., Рачков В.И., Асхадуллин Р.Ш., Стороженко А.Н., Ульянов В.В. Анализ современного состояния технологии свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей. Атомная энергия, 2014, т. 116, № 4, с. 234–240.
- Jinsuo Zhang. Lead–Bismuth Eutectic (LBE): A Coolant Candidate for Gen. IV Advanced Nuclear Reactor Concepts. Advanced Engineering Materials, 2014, no. 4, pp. 349–356.
- Giorgio Locatelli, Mauro Mancini, Nicola Todeschini. Generation IV nuclear reactors: Current status and future prospects. Energy Policy Elsevier, 2013, vol. 61(C), pp. 1503–1520.
- Sobolev V. Database of thermophysical properties of liquid metal coolants for GEN-IV Sodium, lead, lead-bismuth eutectic (and bismuth). Scientific Report of the Belgian Nuclear Research Centre, 2011, p. 175.
- Handbook on Lead-Bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal-hydraulics and Technologies. OECD/NEA Nuclear Science Committee, 2007, 693 p.
- Громов Б.Ф., Шматко Б.А. Физико-химические свойства расплавов свинец-висмут. Известия вузов. Ядерная энергетика, 1996, № 4, с. 35–41.
- Orlov V.V. Evolution of the Technical Concept of Fast Reactors. The Concept of BREST. Proc. Int. Seminar “Cost Competitive, Proliferation Resistant, Inherently and Ecologically Safe Fast Reactor and Fuel Cycle for Large Scale Power”. Мoscow, 2000, pp. 25–31.
- Слесарев И.С., Адамов Е.О., Леонов В.Н., Лопаткин А.В., Рачков В.И., Хомяков Ю.С. К вопросу о достижимости естественной безопасности ЯЭУ пятого поколения. Известия Российской академии наук. Энергетика, 2020, № 3, с. 15–32.
- P. Loewen Eric, Akira Thomas Tokuhiro. Status of Research and Development of the Lead-Alloy-Cooled Fast Reactor. Journal of Nuclear Science and Technology, 2003, vol. 40:8, pp. 614–627.
- Легких А.Ю., Асхадуллин Р.Ш., Садовничий Р.П. Обеспечение коррозионной стойкости сталей в тяжелых жидкометаллических теплоносителях. Известия вузов. Ядерная энергетика, 2016, № 1, с. 138–148.
- Шелеметьев В.М., Мартынов П.Н., Стороженко А.Н., Чернов М.Е., Ульянов В.В. Контроль примесей кислорода и водорода в защитном газе установок с ТЖМТ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы, 2015, № 3, с. 142–162.
- Асхадуллин Р.Ш., Мартынов П.Н., Рачков В.И., Легких А.Ю., Стороженко А.Н., Ульянов В.В., Гулевский В.А. Контроль и регулирование кислорода в тяжелых жидкометаллических теплоносителях для противокоррозионной защиты сталей. Теплофизика высоких температур, 2016, т. 54, № 4, с. 595–604.
- Iredale T. Adsorption from the gas phase at a liquid-gas interface. LXV. Part I. Phil. Mag., 1923, vol. 45, ser. 6, no. 269, pp. 1088–1100; LXV. Part II. Phil. Mag., 1924, vol. 48, ser. 6, no. 283, pp. 177–193; LXV. Part III. Phil. Mag., 1925, vol. 49, ser. 6, no. 291, pp. 603–627.
- Унежев Б.Х., Задумкин С.Н., Карашаев А.А. Влияние газовой среды на поверхностное натяжение жидких металлов: книга. В. кн.: Электрохимия и расплавы. М.: Наука, 1974. С. 111–118.
- Ricci E., Novacovich R., Ratto M., Arato E. Surface properties of molten metal – oxygen systems: theoretical tools. Transactions of JWRI (Joining and Welding Research Institute), 2001, vol. 30, Special Issue, pp. 179–188.
- Arato E., Bernardib M., Giurannoc D., Ricci E. Surface oxidability of pure liquid metals and alloys. Applied Surface Science, 2012, vol. 258, pp. 2686–2690.
- Лепинских Б.М., Киселев В.И. Об окислении металлов и сплавов кислородом из газовой фазы. Металлы, 1974, № 5, с. 51–54.
- Белоусов А.А., Пастухов Э.А., Алешина С.Н. Кинетика окисления жидких оловянных бронз кислородом воздуха. Расплавы, 2000, № 4, с. 25–26.
- Созаев В.А., Сергеев И.Н., Кумыков В.К., Манукянц А.Р. Влияние малых примесей кислорода в инертном газе и его давления на поверхностное натяжение жидкого индия. Известия РАН. Серия физическая, 2012, т. 76, № 7, с. 891–894.
- Русанов А.И. Лекции по термодинамике поверхностей: учебное пособие. СПб: Издательство «Лань», 2013. С. 240.
- Задумкин С.Н., Хоконов Х.Б., Карамурзов Б.С., Алчагиров Б.Б., Таова Т.М. Физика межфазных явлений в конденсированных средах. Нальчик: Кабардино-Балкарский госуниверситет им. Х.М. Бербекова, 2014. 246 с.
- Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 302 с.
- Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Анализ смачивания как эффективный метод изучения характеристик покрытий, поверхностей и происходящих на них процессов (Обзор). Заводская лаборатория (Диагностика материалов), 2010, т. 76, № 9, с. 27–36.
- Алчагиров Б.Б., Дышекова Ф.Ф., Карамурзов Б.С., Таова Т.М., Хоконов Х.Б. Смачиваемость реакторных сталей 12X18Н10Т и ЭК-173 эвтектическим расплавом РbВi и его сплавами с литием. Известия РАН. Серия физическая, 2016, т. 80, № 11, с. 1570–1575.
- Алчагиров Б.Б., Мозговой А.Г., Куршев О.А. Поверхностное натяжение жидкой свинец-висмутовой эвтектики при технически важных температурах. Перспективные материалы, 2003, № 6, с. 50–54.
- Алчагиров Б.Б., Чочаева А.М., Мозговой А.Г., Арнольдов М.Н., Хоконов Х.Б. Поверхностное натяжение жидких околоэвтектических сплавов системы свинец-висмут. Теплофизика высоких температур, 2003, т. 41, № 6, с. 852–859.
- Novacovic R., Ricci E., Gnecco F., Giuranno D. Surface Properties of Bi-Pb Liquid Alloys. Surface of Science, 2002, vol. 515, pp. 377–389.
- Кириллов П.Л., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей (справочные таблицы и соотношения). Обзор. ФЭИ – 0291. М.: ЦНИИ Атоминформ, 2000. 42 c.
- Алчагиров Б.Б., Кясова О.Х., Коков З.А. Экспериментальная установка для определения быстрых изменений поверхностного натяжения жидкометаллических теплоносителей в условиях адсорбции из газовой среды. Вопросы атомной науки и техники. Серия: ядерно-реакторные константы, 2018, вып. 5, с. 25–34.
- Коков З.А., Дышекова Ф.Ф., Коков А.А., Алчагиров Б.Б., Архестов Р.Х., Кегадуева З.А. Программа автоматизации физического эксперимента по измерению поверхностного натяжения жидкостей методом лежащей капли. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2015614191 от 08.04.2015.
- Алчагиров Б.Б., Альбердиева Д.Х., Дадашев Р.Х., Хибиев А.Х., Элимханов Д.З. Прибор для изучения влияния газовой атмосферы на поверхностное натяжение металлов и сплавов. Вестник АН Чеченской республики, 2016, № 4 (33), с. 5–13.
- Чусов И.А., Проняев В.Г., Новиков Г.Е., Обысов Н.А. Соотношения для расчета транспортных и термодинамических свойств эвтектики свинец-висмут. Известия вузов: Ядерная энергетика, 2020, № 1, с. 107–120.
- Plevachuk Yu., Sklarchuk V., Eckert S., Gerbeth G. Some physical data of the near eutectic liquid lead-bismuth. Journal of Nuclear Materials, 2008, vol. 373, no. 1, pp. 335–342.
- Кириллов П.Л., Терентьева М.И., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: учебное справочное пособие. Под общей ред. проф. П.Л. Кириллова; 2-е изд., перераб. и доп. М.: ИздАт, 2008. 200 с.
- Miller R.R. Physical Properties of Liquid Metals/Liquid Metals Handbook, Report NAVEXOS, R.N. Lyon (ed.), US Gov. Pt. Office, Washington DC, 2nd edition (rev.), ORNL, Tennessee, 1951.
- Semenchenko V.K. Surface phenomena in metals and alloys. London: Pergamon Press, 1961.
- Kazakova N.V., Lyamkin S.A., Lepinskikh B.M. Density and surface tension of Pb-Bi system melts. Zhurnal Fizicheskoy Khimii, 1984, vol. 58, no. 6, pp. 1534–1538.
- Pastor Torres F.C. Surface tension measurement of heavy liquid metals related to accelerator driven systems (ADS). Diploma Thesis, FZK (IKET), KALLA, 2003.
- Miller R.R. Physical Properties of Liquid Metals. Liquid Metals Handbook, R.N. Lyon (ed.), 2nd edition, Report NAVEXOS P-733. Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, Washington, USA, 1954, June 1952 (rev. 1954).
- Pokrovsky N.L., Pugachevich P.P., Golubev P.A. Study of the surface tension of lead-bismuth solutions. Zhurnal Fizicheskoy Khimii, 1969, vol. 43, no. 8, pp. 2158–2159.
- Risold D., Hallstedt B., Gaukler L.J., Lukas H.L., Fries S. The bismuth-oxygen system. Journal of phase equilibria, 1995, vol. 16, p. 223.
- Risold D., Nagata J.I., Suzuki R.O. Thermodynamic description of the Pb-O system. Journal of phase equilibria, 1998, vol. 19, no. 3, pp. 213–233.
- Громов Б.Ф., Орлов Ю.И., Мартынов П.Н., Гулевский В.А. Технологии тяжелых жидкометаллических теплоносителей (свинец-висмут, свинец). Труды конференции «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях». Обнинск, 1999, т. 1, с. 92–106.
- Асхадуллин Р.Ш. Сорбционная очистка жидкометаллических теплоносителей ядерных энергетических установок (галлий, свинец-висмут, свинец). Автореф. канд. техн. наук. Обнинск, 1997. 29 с.
- Wriedt H.A. The O–Pb (Oxygen-Lead) system. JPE, 1988, 9, no. 2, pp. 106–127.
- Ganesan Rajesh, Gnanasekaran T., S. Srinivasa Raman. Standard molar Gibbs energy of formation of Pb5Bi8O17 and PbBi12O19 and phase diagram of the Pb–Bi–O system. Journal of Nuclear Materials, 2008, vol. 375, no. 2, pp. 229–242.
- Gladinez K., Rosseel K., Lim J., Marino A., Heynderickx G., Aerts A. Formation and transport of lead oxide in a non-isothermal lead-bismuth eutectic loop. Nuclear Engineering and Design, 2019, vol. 349, pp. 78–85.
- Dongdong Li, Chi Song, He H.Y., Liu C.S., Pan B.C., Wu Y.C. The behavior of oxygen in liquid lead–bismuth eutectic. Journal of Nuclear Materials, 2013, vol. 437, no. 1–3, pp. 62–65.
- Русанов А.И. Прохоров В.А. Межфазная тензиометрия. СПб.: Химия, 1994. 400 с.
- Алчагиров Б.Б., Дадашев Р.Х. Метод большой капли для определения плотности и поверхностного натяжения металлов и сплавов. Нальчик: Кабардино-Балкарский государственный университет, 2000. 94 с.
- Алчагиров Б.Б., Хибиев А.Х., Канаметова О.Х., Латипов А.Л., Лесев В.Н., Коков З.А., Дышекова Ф.Ф. Устройство для определения влияния механических колебаний лежащей капли на результаты измерений поверхностного натяжения. Приборы, 2021, № 3, с. 213–233.
- Алчагиров Б.Б., Таова Т.М., Афаунова Л.Х., Дышекова Ф.Ф. К вопросу о достоверности экспериментальных данных по поверхностному натяжению жидких металлов. Известия РАН. Серия: физическая, 2012, т. 76, № 13, с. 26–29.
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
