Термические свойства жидкометаллического теплоносителя системы Bi-Pb-Sn-Cd : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 01.04.14

Актуальность темы исследования. Жидким металлам и сплавам в
последние годы наука уделяет особое внимание ввиду широкой возможности их
применения. Для целей использования жидких металлов в качестве
теплоносителей и эффективного отвода тепла из активных зон реактора [1-3]
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 700-800оС, когда все другие
вещества (вода, органические соединения) не пригодны [4].
В последние годы активно прорабатываются концепции использования
тяжелых жидкометаллических теплоносителей [ТЖМТ], так как они
удовлетворяют требованиям обеспечения безопасности [5]. 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 Li
жидкометаллические теплоносители, что побуждает проводить дальнейшие
исследования в этой области. В этом направлении выполнены как теоретические,
опирающиеся на законы статистики, так и экспериментальные (физико-
химические) исследования [6-8]. Группа работ посвящена моделированию на
ЭФМ строения и свойств расплавленных металлов [9-10]. Изучению термических
свойств жидких металлов посвящен ряд работ [11-18].
Система Bi-Sn-Pb-Cd применяется в закалочных печах, технологических
установках (переработка отравляющих веществ), системах пожаротушения.
Выбор данной системы с целью применения еѐ в качестве тяжелого
жидкометаллического теплоносителя обусловлен следующими обстоятельствами:
данный сплав обладает низкой температурой плавления (≈70оС) и высокой
температурой кипения (≈1700оС), содержит в своем составе Pb, Sn, Bi.
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
В.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 С.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 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 соединений 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.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в
следующих результатах:
1. впервые определены теплофизические характеристики (энтальпия,
энтропия) расплавленной системы Bi-Pb-Sn-Cd состоящей из бинарных и тройных
металлических соединений в интервале температур 300-3000 К и давлений 102 –
107Па;
2. рассчитаны теплофизические свойства бинарных и тройных соединений
PbSn, CdSn, SnBi, BiPb, Cd3Bi2, Bi2Sn3, Bi5Pb3, Bi7Pb3, Bi7Pb, Pb3Bi4, Pb3Bi, PbSn3,
Sn2Bi4, Sn3Bi, Sn4Bi2, Sn5Bi, Sn10Bi3, SnBi5, Pb2Bi4Sn4, Pb2Bi7Sn4, Pb3Bi4Sn4,
Pb3Bi9Sn4, Pb3BiSn4, Pb5Bi4Sn4, Pb7Bi4Sn4, PbBi2Sn2, PbBi4Sn4, Pb9Bi4Sn4. Pb3Bi4Sn15;
3. проведено термодинамическое моделирование термического разложения
бинарных и тройных соединений, указанных выше, в интервале температур 300-
3000 К и давлений от 102 до 107 Па. в атмосфере Ar и воздуха;
4. исследованы температурные зависимости равновесного состава и
теплофизические характеристики расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd в атмосфере Ar и
воздуха в интервале температур 300-3000 К и давлений от 102 до 107 Па.
5. исследованы температурные зависимости парциальных давлений
компонентов паровой фазы, образующейся при равновесном нагревании над
расплавом системы Bi-Pb-Sn-Cd, а также термическом разложении
индивидуальных соединений в широком интервале температур и давлений в
атмосфере Ar и воздуха.
Теоретическая и практическая значимость. С помощью метода
термодинамического моделирования определен состав расплава в
конденсированной и паровой фазе при его нагреве. Рассчитаны теплофизические
свойства необходимые для практического использования расплава в качестве
теплоносителя.
Основные научные положения диссертационного исследования могут
пополнить справочные данные.
Методология и методы исследования. Для исследования расплава
использовались методы: термического анализа, электронной микроскопии
(сканирующий электронный микроскоп JSM-5900 LV c приставкой электронно-
зондового микроанализатора) и термодинамического моделирования
(программный комплекс TERRA).
Положения, выносимые на защиту:
результаты термического анализа расплава Bi-Pb-Sn-Cd;
теплофизические свойства системы расплав (Bi-Pb-Sn-Cd) – пар при
различных давлениях;
теплофизические свойства бинарных и тройных индивидуальных
интерметаллических соединений – пар при различных давления;
теплофизические свойства расплава системы Bi-Pb-Sn-Cd в
окислительной атмосфере при различных давлениях;
теплофизические свойства бинарных и тройных индивидуальных
интерметаллических соединений в окислительной атмосфере при различных
давлениях.
Достоверность результатов. Достоверность обеспечивается
использованием современных математических методов и программных
комплексов, апробированных методик измерений при проведении
экспериментальных исследований, хорошим согласованием полученных
результатов с экспериментальными данными.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации
опубликована 31 научная работа, включая 7 статей в журналах, входящих в
перечень, рекомендованный ВАК. Из них 5 публикации, входят в международную
базу данных Scopus и Web of Science.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
научных конференциях, симпозиумах и семинарах: XIV Российский семинар
«Компьютерное моделирование Физико-химических свойств стекол и расплавов»,
г. Курган 2018 г., V Всероссийской конференции с элементами научной школы
для молодых ученых «Метастабильные состояния и флуктуационные явления» г.
Екатеринбург, 2017 г., XII Международной научно-технической конференции
«Современные металлические материалы и технологии» г. Санкт-Петербург, 2017
г., Satellite Conference of XX Mendeleev Congress on general and applied chemistry
«Ab intio based modeling of advanced materials AMM-2016»; XIII Российский
семинар «Компьютерное моделирование Физико-химических свойств стекол и
расплавов», г. Курган 2016 и 2018 гг.; III Международной научно-практической
конференции «Современные методы и средства исследований теплофизических
свойств веществ» г. Санкт-Петербург, 2015 г.; 4 и 5 Международного
междисциплинарного симпозиума «Физика поверхностных явлений, межфазных
границ и фазовые переходы» Нальчик – Ростов–на-Дону – Грозный – пос.
Южный, 2014 и 2015 гг.; XI Международной научно-технической конференции
«Современные металлические материалы и технологии» г. Санкт-Петербург, 2015
г.; Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии
функциональных материалов» г. Санкт-Петербург, 2014 г.; XIII Российской
конференции по теплофизическим свойствам веществ (с международным
участием) г. Новосибирск, 2011 г.; Международной научно-технической
конференции «Современные металлические материалы и технологии» г. Санкт-
Петербург, 2011 и 2017 гг.; Международной научной конференции «Актуальные
проблемы физики твердого тела» г. Минск, 2011 г.; VI Всероссийской научно-
технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» г.
Екатеринбург, 2011 г.; II Всероссийской научно-практической конференции с
международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы» г.
Воронеж, 2011 г.
Личный вклад автора. Анализ литературных данных, проведение
экспериментов, моделирование, анализ полученных результатов и их
интерпретации, подготовка научных публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 124 страницы
основного текста (введение, 4 главы с выводами, заключение по работе), 60
рисунков, 28 таблиц, 2 приложения на 30 листах. Список литературных
источников содержит 120 наименований. Общий объем диссертации 154
страницы.