EDN: TQQOKB
Авторы
Алчагиров Б.Б., Канаметова О.Х., Ширяев К.А., Коков З.А., Дышекова Ф.Ф.
Организация
ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова», Нальчик, Россия
Алчагиров Б.Б. – профессор кафедры теоретической и экспериментальной физики, доктор физико-математических наук. Контакты: 360004, Кабардино-Балкарская Республика, г. Нальчик, ул. Чернышевского,173, ул. Чернышевского, д. 173. Тел.: (963) 281-98-27; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
Ширяев К.А. – магистрант 2 года обучения института физики и математики.
Коков З.А. – доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики, кандидат физико-математических наук.
Дышекова Ф.Ф. – старший преподаватель кафедры теоретической и экспериментальной физики, кандидат физико-математических наук.
Аннотация
Олово входит в ограниченный перечень легкоплавких металлов – кандидатов, пригодных для возможного использования во внутрикамерных устройствах ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и пропитки капиллярно-пористых систем защиты облицовочных пластин первых стенок ЯЭУ. По отдельным физико-химическим свойствам олово обладает рядом преимуществ, например, по сравнению с литием, давление его насыщенных паров в тысячу раз ниже, следовательно, и более высокие температурные пределы применимости в диапазоне, наиболее востребованном для ЯЭУ. Об этом свидетельствуют экспериментальные результаты совместных исследований итальянских и российских ученых Mazzitelli G., Apicella M.L., Vertkov A., Lyublinski I. и др., в которых впервые в мире были проведены испытания пропитанных чистым оловом капиллярно-пористых систем (КПС) в условиях, когда лимитер токамака подвергался кратковременным воздействиям плазмы с тепловой нагрузкой до 18 МВт·м–2. Ими было продемонстрировано, что при этом КПС с оловом действительно остается работоспособной. В данной работе методом лежащей капли в условиях вакуума установлена температурная зависимость краевых углов смачивания θ(Т) стали 12Х18Н9Т жидким оловом в интервале 510–920 К. На политерме θ(Т) изученной системы обнаружена критическая температура смачиваемости (КТС), равная примерно 870 К. По мнению авторов, ее появление в основном обусловлено и связано с началом процессов взаиморастворения легирующих элементов стали 12Х18Н9Т и ее основы – железа, с жидким оловом.
В работе обсуждаются имеющиеся в литературе экспериментальные данные θ(Т) с наличием КТС, полученные рядом авторов для смачиваемости жидким свинцом, а также его сплавом Pb20Bi80 поверхности стали 12Х18Н9Т и др. Возможные причины появления КТС главным образом связывают с присутствием окислов на поверхностях твердых тел и химическими реакциями с их участием на межфазных границах жидких металлов, протекающими в процессах смачивания. По мнению авторов данной статьи, появление КТС на зависимостях θ(Т) в основном обусловлено началом активизации процессов взаимного растворения легирующих элементов в стали 12Х18Н9Т, в первую очередь, хрома – 18 %, никеля – около 8–9 %, железо (основа) – около 70 мас. %, и др.
Ключевые слова
жидкие металлы, олово, конструкционные нержавеющие стали, межфазные границы, краевые и контактные углы смачивания, капиллярно-пористые системы, ядерные энергетические установки, плазма, дивертор, защита поверхностей первой стенки, взаимодействие жидких металлов с поверхностью, плавление, растворимость, коррозия, эрозия
Полная версия статьи (PDF)
Список литературы
- Вертков А.В., Люблинский И.Е. Опыт разработки жидкометаллических элементов, обращенных к плазме стационарного токамака (Обзор). Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез, 2017, т. 40, № 3, с. 5–13.
- Сафронов В.М. Повреждения обращенных к плазме материалов ИТЭР: что исследовано и что необходимо изучить. Материалы XXVII конференции «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 2019, с. 117–119.
- Grigore E., Ruset C., Gherendi M., Chioibasu D., Hakola A. Thermo-mechanical properties of W/Mo markers coatings deposited on bulk W. Physica Scripta, 2016, vol. 2016, no. T167, p. 014028. DOI: 10.1088/0031-8949/T167/1/014028.
- Coenen J.W., Temmerman G.De., Federici G., Philipps V., Sergienko G., Strohmayer G., Terra A., Unterberg B., Wegener T., Van den Bekerom D.C.M. Liquid metals as alternative solution for the power exhaust of future fusion devices: status and perspective. Physica Scripta, 2014, vol. 2014, no. T159, р. 014037.
- Nygren R.E., Tabarés F.L. Liquid surfaces for fusion plasma facing components – A critical review. Part I: Physics and PSI. Nuclear Materials and Energy, 2016, vol. 9, pp. 6–21.
- Евтихин В.А., Люблинский И.Е., Вертков А.В. Концепция литиевого дивертора и эксперименты в ее обоснование. Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Термоядерный синтез, 2002, № 1–2, с. 17–39.
- Yang J.C., Qi T.Y., Liu B.Q., Ni M.J. Experimental study on liquid metal film flows related with nuclear fusion engineering. 5th International Symposium on Liquid Metals for Fusion, Moscow, 2017, р. 57.
- Jeppson D.W., Ballif J.L., Yuan W.W., Chou B.E. Lithium literature review: lithium's properties and interactions. Hanford engineering development laboratory. Prepared for the U.S. Department of Energy under Contract No. EY-76-C-14-2170, 1978, р. 116.
- Pucella G. et al. Proc. of the 2016 IAEA Fusion Energy Conf. . Kyoto, Japan, 17-22 October 2016. Preprint OV/P-4.
- Mirnov S.V., Azizov E.A., Evtikhin V.A., Lazarev V.B., Vertkov A.V. Experiments with lithium limiter on T-11M tokamak and applications of the lithium capillary-pore system in future fusion reactor devices. Plasma Physics and Controlled Fusion, 2006, vol. 48, рp. 821–837.
- Stangeby P.C. The Plasma Boundary of Magnetic Fusion Devices. IOP. Plasma Physics Series. University of Toronto Institute for Aerospace Studies. London: Taylor & Francis, 2000. 703 p.
- Wang J., Wang H., Xie J., Yang A., Pei A., Wu C., Shi F., Liu Y., Lin D., Gong Y., Cui, Y. Fundamental study on the wetting property of liquid lithium. Energy Storage Materials, 2018, vol. 14, pp. 345–350.
- Yang J.-C., Liu B.-Q., Huang Y.-F., Lyu Z., Dong Q.-R., Pan J.-H., Ni M.-J. Experimental investigation of the flowing lithium limiter. Part 1. The spreading characteristics of lithium on solid substrate
without an external magnetic field. Fusion Engineering and Design, 2023, vol. 189, р. 113489. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.05.021.
- Pashechko M., Vasyliv C. Solubility of metals in fusible melts. Materials Science, 1996, vol. 31, no. 4, рp. 485–492.
- Ажажа В.М., Гнедая И.Л. Щелочные металлы – получение, свойства, применение. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники, 2006, № 1, с. 184–194.
- Meng X., Zuo G., Sun Z., Xu W., Huang M., Xu C., et al. Compatibility of Molybdenum, Tungsten and 304 Stainless Steel in Static Liquid Lithium under High Vacuum. Plasma Physics Reports, 2018, vol. 44, no. 7, рp. 671–677.
- Furukawa T., Hirakawa Y., Kondo H., Kanemura T., Wakai E. Chemical reaction of lithium with room temperature atmosphere of various humidities. Fusion Engineering and Design, 2015, vol. 98–99, pp. 2138–2141.
- 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.
- Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati M., Apruzzese G., Bombarda F., Crescenzi F., Gabellieri L., Mancini A., Marinucci M., Romano A. and the FTU Team. Experiments on the Frascati Tokamak
Upgrade with a liquid tin limiter. Nuclear Fusion, 2019, vol. 59, no. 9, p. 096004. DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab1d70.
- Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati M., Apruzzese G., Crescenzi F., Gabellieri L., Mancini A., Marinucci M., Romano A. and the FTU Team. First tokamak experiments with a liquid tin limiter. Preprint of Paper to be submitted for publication in Physical Review Letters. Доступно на: https://scipub.euro-fusion.org/wp-content/uploads/eurofusion/WPDTT1PR17_18605_submitted.pdf (дата обращения 21.08.2024).
- Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati M., Apruzzese G., Buscarino A., et al. Liquid metal experiments on FTU. 2016 IAEA Fusion Energy Conf. Kyoto, Japan, 17-22 October 2016, EX/P8-21. Доступно на: https://nucleus.iaea.org/sites/fusionportal/Shared%20Documents/FEC%202016/fec2016-preprints/preprint0224.pdf (дата обращения 21.08.2024).
- Ridolfini V.P., Zagorski R., Crisanti F., Granucci G., Mazzitelli G., Pieroni L., Romanelli F. Characterisation of the scrape-off layer plasma in the FTU tokamak. Journal of nuclear materials, 1995, vol. 220, pp. 218–222.
- Vertkov A., Lyublinski I., Zharkov M., Mazzitelli G., Apicella M.L., Iafrati M. Liquid tin limiter for FTU tokamak. Fusion Engineering and Design, 2017, vol. 117, pp. 130–134.
- Morgan T.W., Van Den Bekerom D.C.M., De Temmerman G. Interaction of a tin-based capillary porous structure with ITER/DEMO relevant plasma conditions. Journal of nuclear materials, 2015, vol. 463, pp. 1256–1259.
- Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 302 с.
- Naidich Y.V. The Wettability of Solids by Liquid Metals. Progress in Surface and Membrane Science. Еd. D.A. Cadenhead and J.F. Danielli. New York: Academic Press, 1981. Vol. 14, p. 353.
- Drelich J.W., Boinovich L., Chibowski E., Della Volpe C., Hołysz L., Marmur A., Siboni S. Contact angles: History of over 200 years of open questions. Surface Innovations, 2019, vol. 8, no. 1–2, pp. 3–27.
- Дохов М.П., Шериева Э.Х., Ципинова А.Х. Смачивание вольфрама и рения жидким оловом и расчет их межфазных энергий в зависимости от температуры. Теплофизика высоких температур, 2021, т. 59, № 4, c. 638–640.
- Алчагиров Б.Б., Хоконов Х.Б. Смачиваемость поверхностей твердых тел расплавами щелочных металлов и сплавами с их участием: Теория и методы исследования. Теплофизика высоких температур, 1994, т. 34, № 4, c. 590–626; Эксперимент. Теплофизика высоких температур, 1994, т. 34, № 5, c. 756–783.
- Проценко П.В. Смачивание поверхности и границ зерен тугоплавких металлов легкоплавкими расплавами. Автореф. дисс. … канд. хим. наук: 02.00.11. М.: МГУ, 2002. 24 с.
- Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Анализ смачивания как эффективный метод изучения характеристик покрытий, поверхностей и происходящих на них процессов. Заводская лаборатория. (Диагностика материалов), 2010, т. 76, № 9, c. 27–36.
- Della Volpe C., Siboni S. Use, abuse, misuse and proper use of contact angles: a critical review. ReviewsofAdhesionandAdhesives, 2015, vol. 3, № 4, pp. 365–385.
- Использование жидких металлов в народном хозяйстве. Сборник докладов межотраслевой конференции «Теплофизика-91». Под ред. Ф.А. Козлова. Обнинск: ФЭИ, ОНТИ, 1993. 268 с.
- Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Козлов Ф.А., Шимкевич А.Л. Жидкометаллические теплоносители для ядерной энергетики. Атомная энергия, 2002, т. 92, вып. 1, с. 31–42.
- Baranov M.I. An anthology of the distinguished achievements in science and technique. Part 44: Traditional power engineering. Nuclear power stations: retrospective view, state and prospects of their development. Electrical engineering & electromechanics, 2018, № 3, pp. 3–16. DOI: 10.20998/2074-272X.2018.3.01.
- Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н. и др. Литий. М.: ИздАТ, 1999. 263 с.
- Алчагиров Б.Б., Дадашев Р.Х., Дышекова Ф.Ф., Канаметова О.Х., Элимханов Д.З. Изучение поверхностных свойств жидкостей с использованием современных автоматизированных экспериментальных установок. Нальчик: КБГУ, 2021. 144 с.
- Алчагиров Б.Б., Дышекова Ф.Ф., Коков З.А., Кясова О.Х. и др. Экспериментальная установка для изучения смачиваемости жидкометаллическими расплавами поверхностей твердых тел. ИзвестияРАН. СерияФизическая, 2017, т. 81, № 5, с. 703–708.
- Арнольдов М.Н., Каржавин В.А., Трофимов А.И. Основы метрологического обеспечения температурного контроля реакторных установок. М.: Изд. дом МЭИ, 2012. 243 с.
- Fiflis P., Press A., Xu W., Andruczyk D., Curreli D., Ruzic D.N. Wetting properties of liquid lithium on select fusion relevant surfaces. Fusion Engineering and Design, 2014, vol. 89, no. 12, рp. 2827–2832.
- Protsenko P., Terlain A., Jeymond M., Eustathopoulos N. Wetting of Fe–7.5% Cr steel by molten Pb and Pb–17Li. Journal of Nuclear Materials, 2002, vol. 307, рp. 1396–1399.
- Алчагиров Б.Б., Таова Т.М., Хоконов Х.Б. Температурная зависимость смачиваемости реакторных сталей жидким свинцом, висмутом и эвтектикой PbВi c добавлением лития в интервале от 500 до 1800 К. Сборник докладов научно-технической конференции «Теплофизика реакторов нового поколения (Теплофизика-2018)», Обнинск: ГНЦ РФ – ФЭИ, 2018, с. 79–87.
- Prozenko P., Terlain A., Traskine V., Eustathopoulos N.The role of intermetallics in wetting in metallic systems. Sсripta Materialia, 2001, vol. 45, рp. 1439–1445.
- Pashechko M., Vasyliv C. Solubility of metals in low-melting melts. Zeitschrifi fur Metallkunde. (1997). vol. 88, no. 6, рp. 484–488.
УДК 546.811; 532.63; 532.64; 532.696; 534.2; 536.4.032
Вопросы атомной науки и техники. Cерия: Ядерно-реакторные константы, 2024, № 3, c. 200-212
