Экспериментальное исследование вязкости перспективных жидкометаллических теплоносителей Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In для ядерной энергетики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

005011293

ГУЗАЧЕВ Михаил Александрович

Экспериментальное исследование вязкости перспективных жидкометаллических теплоносителей В(-РЬ, РЬ-вп и Са-1о для ядерной энергетики

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

1 УДР ш

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2012

005011293

Работа выполнена на кафедре общей физики и естествознания ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет» г. Екатеринбурга

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Попель Пётр Станиславович

Официальные оппоненты -

доктор физико-математических наук, профессор Ладьянов Владимир Иванович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Ченцов Виктор Павлович

Ведущая организация -

Институт теплофизики УрО РАН, г.Екатеринбург

Защита состоится /6 марта 2012 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.02 при ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в аудитории I главного учебного корпуса по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина)), ученому секретарю университета.

Автореферат разослан « /О » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.285.02, д.ф.-м.н, профессор

Пилипенко Г.И.

Общая характеристика работы

Введение

Актуальность темы исследования. Атомные электростанции (АЭС) являются важным компонентом энергетического комплекса любого технологически развитого государства. От их стабильной и безопасной работы зависит функционирование промышленных предприятий и уровень жизни населения. Как известно, большинство АЭС в нашей стране и за рубежом введены в эксплуатацию во второй половине прошлого века, а значит, сегодня многие из реакторов выработали свой ресурс и становятся опасными в аварийном отношении. Аварийные же ситуации на АЭС, в результате которых может разрушиться активная зона реактора и, как следствие, произойти радиоактивное заражение окружающей среды, совершенно не допустимы. Поэтому сегодня стоит задача создания новых реакторов, обладающих повышенной надежностью и улучшенными техническими характеристиками. К этим агрегатам, в первую очередь, можно отнести реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем в первичном контуре охлаждения. До сих пор в качестве такого теплоносителя использовался жидкий натрий. Однако его высокая химическая активность и ряд других отрицательных качеств диктуют необходимость поиска новых перспективных жидкометаллических теплоносителей для ядерной энергетики, исследования их теплофизических свойств и создания таблиц справочных данных. Известно, что в критических и нештатных ситуациях температура в активной зоне реактора может изменяться в широких пределах и, в частности, от свойств теплоносителя зависит течение и последствия аварии. Необходимо принимать во внимание возможность как обратимых, так и необратимых структурных переходов в теплоносителе под действием высоких температур, что ранее при проектировании ядерных реакторов не учитывалось. Согласно литературным данным, в качестве перспективных жидкометаллических теплоносителей могут быть использованы расплавы систем ВьРЬ, РЬ-Бп и Оа-1п и, в первую очередь, их эвтектические композиции.

Вязкость является одним из важнейших теплофизических свойств расплавленных металлов и сплавов. Значения вязкости, полученные в достаточно широком интервале температур, определяют режимы течения

теплоносителя по трубам теплообменных аппаратов. Кроме того, вязкость -свойство, чувствительное к изменениям структуры теплоносителя. В частности, несовпадение температурных зависимостей вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении (гистерезис вязкости) дает информацию о возможных необратимых изменениях этой структуры и позволяют определить температуры указанных перестроек.

Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы было систематическое исследование кинематической вязкости расплавов ЕИ-РЬ, РЬ-Бп и Са-1п в широком интервале составов и температур, поиск особенностей на ее температурных и концентрационных зависимостях, связанных со структурными перестройками, и, наконец, составление таблиц справочных данных по вязкости указанных теплоносителей.

В соответствии с этим, перед диссертантом были поставлены следующие основные задачи:

- Модернизировать установку для измерения кинематической вязкости методом, основанным на фиксировании периода и декремента затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследуемым расплавом, с целью повышения чувствительности и точности определения фиксируемых величин и снижения трудоемкости измерений.

- Исследовать температурные зависимости кинематической вязкости расплавов В1-РЬ, РЬ-Бп и Са-1п в интервале составов от 0 до 100% второго компонента в ходе нагрева образца до П00;С после его расплавления и в процессе последующего охлаждения.

- Проанализировать полученные зависимости с целью обнаружения признаков необратимых структурных перестроек в исследованных расплавах, определить температуры этих перестроек.

- По результатам, полученным при охлаждении, рассчитать значения вязкости при фиксированных температурах и на их основе построить таблицы справочных данных по вязкости теплоносителей. Построить изотермы вязкости гомогенных расплавов, обратив особое внимание на наличие и локализацию их особенностей.

- Определить концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения исследованных теплоносителей.

Дать рекомендации по режимам эксплуатации перспективных теплоносителей в ядерных реакторах нового поколения.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые: В широком интервале составов и температур исследованы температурные зависимости кинематической вязкости расплавов систем В1-РЬ, РЬ-Бп и Оа-1п в ходе нагрева образцов после плавления и при последующем охлаждении.

Для большинства составов обнаружено ветвление температурных зависимостей кинематической вязкости, полученных при нагреве и при последующем охлаждении образцов (гистерезис вязкости). По точкам ветвления указанных кривых определены температуры гомогенизации изученных расплавов.

Построены изотермы вязкости и концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения гомогенных расплавов ВьРЬ, Са-1п и РЬ-Бп в интервале составов от 0 до 100 % второго компонента. Созданы таблицы справочных данных по вязкости указанных перспективных теплоносителей.

Практическая ценность работы. Полученные температурные и концентрационные зависимости кинематической вязкости, а также значения энергий активации вязкого течения жидких сплавов ВьРЬ, РЬ-Бп и Са-1п могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании и создании ядерных энергетических установок на быстрых нейтронах. Определенные экспериментально температуры гомогенизации указанных расплавов важны для определения оптимальных режимов эксплуатации ядерных реакторов.

Защищаемые положения: При измерении температурных зависимостей кинематической вязкости расплавов систем В1-РЬ, РЬ-Бп и Са-1п в ходе нагрева образцов после плавления до 1100 °С и при последующем охлаждении наблюдается их расхождение, связанное с необратимым переходом расплавов из метастабильного микрогетерогенного состояния, унаследованного от гетерогенного исходного кристаллического образца, в состояние

истинного раствора. Возможность подобного перехода на начальном этапе эксплуатации теплоносителя необходимо принимать во внимание при отработке режимов проведения этого этапа.

- Точки ветвления указанных выше зависимостей определяют температуры перехода расплавов в гомогенное состояние, а по величине их расхождения в гидродинамическом приближении можно оценить объемную долю дисперсных частиц в микрогетерогенных расплавах ЕН-РЬ и РЬ-Бп при различных температурах.

Температурные зависимости вязкости, полученные при охлаждении исследованных расплавов, с хорошей точностью аппроксимируются экспоненциальными функциями, что свидетельствует о гомогенности системы. Эти зависимости могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании теплообменных аппаратов ЯЭУ.

Личный вклад автора. Для повышения точности определения периода и декремента затухания колебаний и автоматизации проводимых экспериментов автором совместно с Д.А.Ягодиным был модернизирован крутильно-колебательный вискозиметр. Автор лично оптимизировал параметры подвесной системы установки, провел вискозиметрические исследования жидких сплавов систем ЕН-РЬ, РЬ-8п и Оа-1п, оценил погрешность измерений и обработал результаты.

Планирование экспериментов, обсуждение и интерпретация их результатов проводились совместно с научным руководителем и Н.Ю.Константиновой. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- Использованием апробированных методов вискозиметрии расплавов.

- Повышением точности регистрации периода и декремента затухания колебаний тигля с исследуемым расплавом.

- Корректной оценкой погрешности измерений.

- Воспроизводимостью полученных результатов и обнаруженных эффектов.

- Согласием результатов с имеющимися литературными данными по вязкости жидких металлов и сплавов.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих Международных и Российских конференциях и семинарах: 14th International Conference on Liquid and Amorphous Metals, Рим, 2010 г.; Межотраслевом семинаре «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)», Обнинск, 2010 г.; X Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», Курган, 2010 г.; XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 2011 г.; XIV Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, Новосибирск, 2011 г.; VI Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011 г.

Публикации. Основные результаты опубликованы в 12 работах, из них одна статья - в рецензируемом научном журнале, 4 статьи в сборниках трудов перечисленных выше конференций и 7 тезисов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 103 наименований. Она изложена на 110 страницах, содержит 8 таблиц и 34 рисунка.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, её цель, отражены научная новизна и практическая ценность результатов исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обсуждается проблема выбора новых теплоносителей для ядерной энергетики, в частности для реакторов на быстрых нейтронах, признанных перспективными. Среди возможных кандидатов на роль жидкометаллических теплоносителей рассматриваются компоненты и эвтектические сплавы систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In. Для проектировщиков ядерных реакторов нужны, по возможности, полные данные об их теплофизических свойствах. Одним из наиболее информативных свойств жидких металлов и сплавов является вязкость. Анализируется информация о строении, особенностях межатомного взаимодействия в расплавах и режимах их течения по трубам теплообменных аппаратов, которая может быть получена в результате измерений вязкости. Приводится анализ имеющихся

данных о вязкости расплавов висмут-свинец, свинец-олово и галлий-индий, выбранных в качестве объектов исследования. Несмотря на то, что основными претендентами на роль теплоносителей являются чистые компоненты или сплавы эвтектической концентрации, становится ясно, что нужно существенно дополнить имеющиеся данные значениями вязкости сплавов других концентраций и, кроме того, максимально расширить температурный интервал измерений, имея в виду возможность нештатных ситуаций при эксплуатации реакторов. Отдельно рассмотрены представления о метастабильной микрогетерогенности расплавов в системах с эвтектическими диаграммами состояния, которая может влиять на режим работы реактора.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований и обработки их результатов.

Описан метод измерения кинематической вязкости расплавов, основанный на решении внутренней гидродинамической задачи, в котором рассматриваются затухающие крутильные колебания цилиндрического стаканчика (тигля), заполненного жидким металлом. Значения кинематической вязкости рассчитывали по формуле, полученной Е.Г. Швидковским в приближении слабовязкой жидкости Автором оптимизированы параметры вискозиметра с тем, чтобы они позволили использовать указанное приближение. Для повышения точности и уменьшения трудоемкости измерений декремента затухания колебаний было создано электронное устройства, позволяющее фиксировать параметры колебаний и записывать их непосредственно в память персонального компьютера для последующей обработки.

Проведенная оценка относительной погрешности определения вязкости дала для нее при доверительной вероятности Р = 0,95 значение 2,5%. Случайная составляющая этой погрешности, имеющая значение для определения достоверности различных аномалий на температурных зависимостях вязкости при этом не превышает 2 %.

В третьей главе приводятся результаты измерения вязкости жидких РЬ, В1, Бп, ва и 1п и бинарных расплавов ВьРЬ, РЬ-Бп и ва-Гп в режимах их нагрева после плавления и последующего охлаждения.

Исследование чистых металлов проводилось, с одной стороны, для проверки достоверности получаемых результатов путем их сравнения с литературными данными, а с другой - для некоторого расширения температурных интервалов измерений. В результате было установлено, что большинство полученных нами данных согласуются с наиболее достоверными литературными. Некоторые расхождения для свинца объясняется отсутствием данных о его химическом составе в проведенных ранее исследованиях и возможным влиянием таких факторов как метод измерений и оксидные пленки на поверхности образцов.

Температурный интервал измерений вязкости для жидкого индия был расширен на 300 К, а для галлия - на 100 К. Результаты измерения вязкости жидких металлов при фиксированных температурах, определенные методом сплайн-интерполяции температурных зависимостей, приведены в табл.2. Поскольку точность наших измерений не уступает точности наиболее достоверных данных по вязкости жидких металлов, мы считаем себя вправе рекомендовать полученные результаты в качестве справочных.

(v—Д), 10"'mV

(v- 4), 10 mV

150 350 550 750 950 !,°С

Рис.1. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов Bi-Pb, богатых висмутом: 1 - 44,5 ат. % РЬ нагрев, 2 -44,5 ат. % РЬ охлаждение, 3-30 ат. % РЬ нагрев (0,3), 4-30 ат. % РЬ охлаждение (0,3), 5-20 ат. % РЬ нагрев (0,6), 6-20 ат. % РЬ охлаждение (0,6), 7 - 10 ат. % РЬ нагрев (1), 8

- 10 ат. % РЬ нагрев (1), 9 - Bi нагрев (1,6), 10

- Bi охлаждение (1,6); цифры в скобках -величина Д.

250 450

850 <• 'С

Рис.2. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы ВьРЬ, богатых свинцом: 1 - РЬ нагрев, 2 - РЬ охлаждение, 3-90 ат. % РЬ нагрев (0,5), 4 -90 ат. % РЬ охлаждение (0,5), 5-80 ат % РЬ нагрев(1,3), 6-80 ат. % РЬ охлаждение (1,3), 7-70 ат. % РЬ нагрев (1,8), 8-70 ат. % РЬ охлаждение (1,8), 9-60 ат. % РЬ нагрев (2,1), 10-60 ат. % РЬ охлаждение (2,1); цифры в скобках - величина Д.

Для сплавов этот вариант экспериментов имел своей целью обнаружение признаков и определение температур их необратимых переходов из метастабильного микрогетерогенного состояния, унаследованного от гетерогенных исходных слитков, в термодинамически устойчивое состояние гомогенного раствора.

На рис. 1,2 представлены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов ВьРЬ в указанном выше интервале температур, полученные в ходе их нагрева после плавления исходных образцов и последующего охлаждения. При анализе этих кривых обращает внимание их несовпадение (гистерезис вязкости). Для одних составов это явление выражено более ярко, для других - менее отчетливо, но во всех случаях оно превышает погрешность измерений. Исключения составляют лишь состав содержащий 10 ат. % РЬ и чистые В1 и РЬ.

(у-лмо'м'-с' (V- Д), 107 «V

Рис.3 Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы РЬ-Эп, богатых оловом: 1 - Бп нагрев, 2 - 8п охлаждение, 3 - 94,01 ат. % Бп нагрев (0,5), 4 - 94,01 ат. % вп охлаждение (0,5), 5 -87,47 ат. % Бп нагрев (1), 6 - 87,47 ат. % Эп охлаждение (1), 7 - 80,28 ат. % 8п нагрев (0,9), 8 - 80,28 ат. % 8п охлаждение (0,9), 9 -73,92 ат. % Бп нагрев (1,5), 10 -73,92 ат. %8п охлаждение (1,5); цифры в скобках - величина Д.

Рис.4 Зависимость от гемпера!уры кинематической вязкости расплавов системы РЬ-8п. богатых свинцом: 1 - 63,57 ат. % Бп нагрев, 2 - 63,57 ат. % охлаждение, 3 -42,79 ат. % вп нагрев (0,4), 4 - 42,79 ат. % 8п охлаждение (0,4), 5 - 30,37 ат. % Бп нагрев (0,6), 6 - 30,37 ат. % Эп охлаждение (0,6), 7 -16,24 ат. % 8п нагрев (1), 8 - 16,24 ат. % Бп нагрев (1), 9 - РЬ натрев (1,3), 10 - РЪ охлаждение (1,3); цифры в скобках -величина А.

На рис.3 представлены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов системы 8п-РЬ, богатых оловом, а на рис.4 - богатых свинцом. При их анализе, как и в случае с системой ВьРЬ, прежде всего обращает внимание несовпадение кривых нагрева и охлаждения, превышающее погрешность измерений, для всех составов кроме сплава, содержащего 87.47 ат. % Бп.

Следует отметить, что во всех экспериментах с расплавами РЬ-8п кривые охлаждения лежат ниже кривых нагрева. Исключением является, лишь состав, содержащий 16,24 ат. % Бп, для которого наблюдается противоположная ситуация. Температурные зависимости кинематической вязкости системы Оа-1п для сплавов, богатых галлием, приведены на рис.5, а на рис.6 - для сплавов, богатых индием. В ходе наших опытов мы пытались выявить признаки необратимых изменений вязкости, связанных с возможным переходом бинарных взаимных растворов галлия и индия из метастабильного микрогетерогенного состояния, унаследованного от исходного кристаллического образца, в состояние истинного раствора.

Вопреки этим ожиданиям, гистерезис вязкости, который мог бы служить индикатором подобных перестроек, обнаружился только при эвтектической концентрации, содержащей 13,19 ат. %1п, хотя практически во всех изученных нами ранее эвтектических системах он проявлялся в первую очередь при до- и заэвтектических составах. Возможно, это связано с присутствием в системе чрезвычайно легкоплавкого галлия и с тем обстоятельством, что мы начинали наши измерения после нагрева системы до температуры, превышающей точку его плавления более чем на 100 °С.

Ранее было отмечено, что метастабильная микрогетерогенность расплава является наиболее термически устойчивой при эвтектической концентрации. Именно при таком составе в представленных здесь экспериментах зафиксировано четкое ветвление политерм вязкости, полученных при нагреве и охлаждении. Это позволяет связать данный эффект с разрушением метастабильной микрогетерогенности расплава, возможность существования которой при нагреве вплоть до 300 °С (точка ветвления температурных зависимостей вязкости расплава с 13,19 ат. %1п) необходимо принимать во внимание при проектировании реакторов, использующих в качестве теплоносителя сплав Са-1п эвтектической концентрации.

Гистерезис вязкости большинства исследованных образцов ВьРЬ и РЬ-Бп мы связываем с необратимым разрушением метастабильных микрогетерогенных состояний, унаследованных от гетерогенных шихтовых материалов, т.е. с гомогенизацией расплава. Тогда температуры, соответствующие точкам ветвления зависимостей у(/), можно считать температурами, при которых расплавы необратимо переходят в состояние гомогенного раствора, сохраняющееся при последующем охлаждении вплоть до температуры ликвидус.

В пользу такой трактовки говорит отсутствие данного эффекта в расплавах жидких висмута, свинца, галлия и индия, которые имеют гомогенную кристаллическую структуру.

(V- А), 10-' «V1 , . .

Х (V- Д), 10 м -с

150 350 550 750 »50 1,'С

4,5

3,5

2,5

1,5

0,5

1 *• 1

-о—4

Ук, 5 -в-6

-о-Ю

О—Ч*- «

150

350

550

750

950 4 'С

Рис.5. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы Са-[п, богатых галлием: 1 - (За нагрев, 2-<За охлаждение, 3 - 6,33 ат. % 1п нагрев, 4 -6,33 ат. %1п охлаждение, 5 - 13,19 ат. % 1п нагрев(1,2), 6 - 13,19 ат. %1п охлаждение (1,2). 7 - 20,66 ат. % 1п нагрев (2,5), 8 -20,66 ат. % 1п охлаждение (2,5), 9 -28,82 ат. % 1п нагрев (3), 10 - 28,82 ат. % 1п охлаждение (3); 11 - 37,79 ат. % 1п нагрев (3,5), 12- 37,79 ат. %1п охлаждение (3,5); цифры в скобках - величина смещения графика по оси ординат Д.

Рис.6. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы Оа-1п, богатых индием: 1 - 47,67 ат. % 1п нагрев, 2 - 47,67 ат. % 1п охлаждение, 3 -58,63 ат. % 1п нагрев (0,5), 4 - 58,63 ат. % 1п охлаждение (0,5), 5 - 69,04 ат. % 1п нагрев (1), 6 - 69,04 ат. % 1п охлаждение (1), 7 -84,54 ат. % 1п нагрев (1,7), 8 - 84,54 ат. % 1п нагрев (1,7), 9 - 1п нагрев (2,1), 10 - 1п охлаждение (2,1); цифры в скобках -величина смещения графика по оси ординат Д.

Мы полагаем, что после плавления такого слитка первоначально формируется неравновесный гетерогенный расплав, в котором частицы, обогащенные одним из компонентов, взвешены в дисперсионной среде, богатой другим. В ходе эволюции такой системы она постепенно переходит в состояние метастабильного равновесия указанных частиц с окружающим расплавом и при небольших перегревах над ликвидусом может просуществовать в нем несколько суток. В наших опытах, проводимых в условиях систематического изменения температуры, расплав постепенно приближался к границе существования своего метастабильного микрогетерогенного состояния.

Поскольку не было предпринято специальных продолжительных изотермических выдержек при температурах, близких к этим границам, мы, строго говоря, не можем считать точки ветвления кривых вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении, границами существования метастабильной микрогетерогенности. Поскольку в подавляющем большинстве опытов с расплавами В1-РЬ и РЬ-Бп температурные зависимости вязкости, полученные при нагреве образца после плавления, идут выше кривых охлаждения, мы можем использовать гидродинамический подход к оценке объемной доли дисперсных частиц. Согласно этому подходу, объемную долю дисперсных частиц в метастабильной эмульсии <р можно приближенно оценить на основе наших вискозиметрических данных по формуле Эйнштейна:

—=1+2,5 + * , 0) здесь 77* - динамическая вязкость эмульсии, 7 - то же для дисперсионной среды. Пренебрегая незначительным изменением плотности d при образовании микроэмульсии, подобное соотношение можно записать и для измеряемой в наших опытах кинематической вязкости (у = г\Ы)- При этом за вязкость дисперсионной среды примем вязкость расплава при его охлаждении от температур, превышающих температуру гомогенизации.

Рис.7 Результаты оценки объемной доли дисперсных частиц <р в исследованных расплавах системы В|-РЬ при различных температурах: 1 - 90 ат. % РЬ, 2 -80 ат. % РЬ, 3 - бОат. % РЬ, 4 -44,5 ат. % РЬ, 5 - 30 ат. % РЬ, 6 -20 ат. % РЬ, 7 - 10 ат. % РЬ.

Рис.8 Результаты оценки объемной доли дисперсных частиц <р в исследованных расплавах системы РЬ-8п при различных температурах: 1 - 94,02 ат. % Бп, 2- 87,47 ат. % вп, 3 - 80,29 ат. % Бп, 4 - 63,58 ат. % Бп, 5 - 42,79 ат. % Бп, 6 - 30,38 ат. % Бп, 7 - 16,24 ат. % Эп.

На рис.7, 8 приведены результаты оценки объемной доли дисперсных частиц в метастабильной микроэмульсии, образующейся при плавлении гетерогенных слитков В-1-РЬ и РЬ-Бп при различных температурах. Из их анализа видно, что вблизи температуры ликвидус значения <р лежат в пределах 0,1 - 2,5 об. %, что оправдывает применение формулы Эйнштейна, полученной для разбавленных эмульсий. При приближении к температуре гомогенизации объемная доля дисперсных частиц в микрогетерогенном расплаве постепенно убывает до нуля.

Поскольку температуры этого перехода (от 310 до 770 °С) вполне могут реапизовываться в процессе эксплуатации ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем, по крайней мере при возникновении нештатных ситуаций, возможность необратимого изменения строения расплава и, следовательно, его теплофизических свойств при указанных температурах надо иметь в виду при проектировании и эксплуатации АЭС.

В четвертой главе приводятся температурные и концентрационные зависимости вязкости и энергии активации вязкого течения для исследованных сплавов В1-РЬ, РЬ-Бп и Са-1п, находящихся в состоянии устойчивого термодинамического равновесия. Мы считаем, что в таком состоянии расплав находится при охлаждении от верхней температуры опытов, результаты которых представлены на рис. 1-6. В обычных условиях эксплуатации теплоноситель, который не перегревали существенно над ликвидусом и не подвергали каким-либо дополнительным

гомогенизирующим воздействиям, необратимо переходит в гомогенное состояние по истечении времени, не превышающего 3-4 суток.

Первое, что обращает внимание при анализе экспериментальных кривых (рис.6-11) - это их близость к экспоненциальным зависимостям:

где у0 - постоянная исследуемого вещества, Е - энергия активации вязкого течения, представляющая собой энергию, необходимую для перехода частицы или системы частиц из одного положения равновесия в другое, Я -универсальная газовая постоянная, Т - термодинамическая температура. Поэтому на начальном этапе обработки экспериментальных данных их аппроксимировали экспоненциальными функциями (2). Эти зависимости можно переписать в виде:

Построив графики зависимости 1п V =/(1/Т), определяли энергию активации вязкого течения Е и константу у0 (см. табл.1).

Методом кубической сплайн интерполяции кривых у(Г), соответствующих режимам охлаждения, рассчитали значения вязкости исследованных расплавов при фиксированных температурах. Результаты приведены в табл.2.

Поскольку в литературе равноценные по точности данные имеются для вязкости только чистых компонентов и сплавов ЕН-РЬ и РЬ-Яп эвтектической концентрации, приведенные в этой таблице результаты можно рекомендовать к использованию в качестве справочных данных при анализе работы реакторов с жидкометаллическими теплоносителями

(2)

Таблица 1.

Значения энергии активации вязкого течения £ и постоянной у0 в формуле (1) для расплавов ВьРЬ, РЬ-5п и Са-1п с различным содержанием компонентов.

Система Ві-РЬ

д:ві, ат. % Е, Дж-моль"1 Уо, 10"' м2с'

0 7434 0,56

10 8280 0,55

20 8200 0,47

30 6922 0,52

40 6632 0,54

55,5 5975 0,56

70 5147 0,60

80 4785 0,70

90 3585 0,82

100 4896 0,61

Система РЬ-вп

ат. % Е, Дж-моль"' Уо, 10"7 м2-с"'

0,00 7434 0,56

16,24 3105 0,73

30,38 3552 0,62

42,79 2546 0,64

63,58 3028 0,51

73,93 3244 0,56

80,29 3386 0,55

87,47 3105 0,49

94,02 3134 0,53

100 3030 0,42

Система Єа-Іи

*о., ат. % Я, Дж-моль"' уо, 10"' м2с'

0 6440 0,58

13,9 6896 0,49

15,46 5106 0,49

30,96 5106 0,63

41,37 5503 0,58

52,33 5366 0,59

63,21 5177 0,57

71,18 5351 0,59

79,34 7481 0,52

93,67 5096 0,99

100 4883 0,64

Таблица 2.

Кинематическая вязкость расплавов системы РЬ-Бп при фиксированных значениях температуры, 10'7 м2 с''

-г.*с Состав 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 100« 1050 1100

В! - 1,60 1.48 1,38 1,29 1.23 1,17 1,13 1,09 1.07 1.05 1,03 1.02 1.00 0,99 0,97 0,94

ВИО «т.У.РЬ - 1.70 1.61 1,52 1,43 1,36 1,30 1,24 1,20 1.17 1.15 1.15 1.16 1.18 1,23 1,28 1,36

В к-20 жт.'ЛТЪ - 1,73 1,61 1,51 1,42 1,35 1.30 1,25 1.22 1.19 1.16 1.14 1.12 1,10 1,08 1,05 1.01

В ¡-30 «т.%РЬ - 1.65 1,51 1,41 1.32 1.25 1,20 1.16 1.13 1,11 1,09 1.07 1.04 1.01 0,97 0,92 0.84

В ¡-44.5 шт.Г.РЬ 1.81 1.62 1.47 1.34 1,25 1.18 1.13 1.Ю 1.08 1,07 1.07 1.06 1.06 1,05 1.02 0,99

В1-60 «т.%РЬ - 1,92 1.77 1,64 1,52 1,43 1.35 1,28 1,22 1.18 1.14 1.10 1,07 1,04 1,00 0,97 0,92

В|-70 ат.%РЬ 1.97 1,80 1,65 1.53 1,43 1.35 1,28 1,22 1.18 1.14 1,10 1,07 1.04 1.01 0,97 0,92

В ¡-80 ат.%РЬ 2.01 1.79 1,61 1,45 1.31 1,20 1,10 1.02 0,94 0,86 0,79 0,71 0,63 0,53 0,41 0,28

ВМО ат.%РЬ - 1.87 1.74 1,63 1.54 1.47 1.42 1.38 1,35 1,33 1,32 1,30 1,29 1,28 1.26 1,23 1.20

РЬ 2,34 2,14 1.95 1.67 1,55 1,46 1.38 1.32 1.27 1.23 1,20 1,18 1.15 1.13 1.11

Са 2,97 2.54 2,18 1,88 1,64 1,46 1,32 1.21 1,15 1.10 1.08 1,07 1,07 1.07 1,06 1.04 1.01 0,94 0,85

Сш-6.32 ат.%1п 3,61 3,23 2.91 2,65 2,45 2.29 2.07 2,00 1.95 1,91 1,87 1.83 1.78 1.71 1.62 1.49 1.33 1,12

Ca-I3.lSiT.KIii 3.31 2,91 2.57 2,28 2,04 1,84 1.55 1,44 1,36 1,30 1,24 1.20 1.16 1.12 1.07 1.01 0.94 0,84

С.а-20.65 ат.%1п 2.27 2.05 1,86 1.69 1,55 1.44 1,34 1,27 1,21 1,16 1,12 1,10 1,07 1,06 1.04 1,02 1.00 0.98 0,94

С.-28.82 ат.%1п 2,21 1,96 1.75 1,57 1,42 1,31 1.22 1,15 1,10 1,06 1,04 1.03 1.02 1.02 1.01 1,00 0,99 0,96 0.92

Са-37.78 ат.%1п 2.28 2.05 1,85 1,69 1.55 1,44 1,34 1,27 1,21 1.16 1,13 1.10 1,08 1.06 1.04 1,02 0.99 0,96 0,92

Са-47.67 ат.'ЛЫ 2.33 2,09 1.89 1.71 1,57 1.45 1.35 1,27 1,21 1,17 1,13 1.10 1,08 1,06 1.04 1,02 0,99 0,95 0.89

Са-51.62 ат.%1п 2,14 1,98 1,84 1.71 1,60 1,50 1.41 1.34 1,27 1.22 1,17 1.13 1,10 1.07 1.05 1,03 1.02 1,00 0.99

Са-69.03 ат.%1п 2,69 2.29 1,96 1.70 1,50 1,34 1,23 1.16 1.11 1,09 1,09 1.09 1,09 1.09 1,08 1,04 0,98 0,89 0,75

Са-84.53 ат.%1л 2,97 2,54 2,18 1.88 1,64 1.46 1,32 1.21 1,15 1,10 1,08 1.07 1,07 1.07 1,06 1,04 1,01 0,94 0.85

1л 2,92 2,56 2,26 2.01 1.81 1,65 1,53 1,44 1.37 1.32 1,28 1,25 1,23 1,20 1,16 1,11 1,03 0,93 0,80

вп 1.92 1.77 1.63 1,51 1,40 1,30 1,21 1,14 1,08 1,03 1.02 1,01 0,99 0,98 0,97 0,97

РЬ-94.01 ат.% вп 1,83 1,68 1,54 1,42 1,31 1,22 1.14 1,08 1.03 1,00 0,99 0,97 0,97 0.96 0,94 0,93

РЬ-87.47 ат.% Ба 1,80 1,67 1,55 1,44 1.34 1,25 1,17 1.Ю 1,05 1,00 0.97 0,95 0,94 0,94 0,95 0,97

РЬ-80.29 ат.% во 2,79 2,59 2,41 2,09 1,96 1,84 1,73 1.64 1.56 1.49 1,44 1,41 1.39 1,38 1,37

РЬ-73.92 ат.% во 2,98 2,76 2.57 2.22 2.07 1,94 1,83 1,74 1,66 1,59 1.55 1.52 1,51 1,50 1.50

РЬ-63.57 ат.% Бп 2,07 1,92 1,79 1.55 1,45 Мб 1,28 1,21 1.16 1,12 1,08 1,06 1,05 1,05 1,04

РЬ-42.79 ат.% 8о 1.98 1,88 1,78 1.59 1.51 1.43 1.36 1,30 1.24 1.19 1,14 1.10 1,06 1,04 1,01

РЬ-30.37 ат.% Бп 2,06 1,92 1,79 1,57 1.46 1,37 1.29 1,21 1.14 1,08 1,03 0,99 0.96 0.93 0.91

РЬ-16.24 ат.% вп 2.00 1,86 1,74 1.63 1,53 1.44 1.36 1,29 1,22 1,17 1.13 1,10 1,08 1.07 1.07 1,06

РЬ - 2.34 2,14 1,95 1,67 1,55 1,46 1.38 1.32 1.27 1.23 1.20 1.18 1.15 1.13 1.4

Используя значения, приведенные в табл.2, построили изотермы кинематической вязкости систем В1-РЬ, Оа-1п, РЬ-Бл приведенные на рис.9-11.

При анализе этих кривых обращает внимание их немонотонный характер с отчетливыми экстремумами.

Используя параметры, приведенные в табл.1, построили концентрационные зависимости энергий активации для систем ВьРЬ, РЬ-5п и Са-1л приведены на рис.12,13,14 соответственно.

Согласно представлениям Н.С. Курнакова, сохранение в расплавах различных атомных группировок должно проявляться в виде аномалий на изотермах их структурно-чувствительных свойств, в частности вязкости. Обычно на изотермах вязкости вблизи соответствующих стехиометрических составов фиксируются максимумы, которые при повышении температуры уменьшаются по абсолютной величине и часто сдвигаются в сторону менее вязкого компонента.

V, 10"' MV

Рис.9. Концентрационные зависимости кинематической вязкости расплавов Bi-Pb: 1 -350 °С, 2 - 400 °С, 3 - 450 "С, 4 - 500 °С, 6 - 550 °С, 7 - 600 "С, 8 - 700 °С, 9 - 800 "С, 1С - 900 °С, 11 - 1000 °С.

Рис. 10. Концентрационные зависимости кинематической вязкости расплавов Pb-Sn: 1 -350 °С, 2- 400 "С, 3 - 450 °С, 4 - 500 °С, 5 - 550 "С, 6 - 600 «С, 7 - 650 "С, 8 - 700 "С, 9 -800 "С, Ю-900 °С, 11 - 1000 "С, 12- 1100 "С.

Рис.11. Концентрационные зависимости кинематической вязкости расплавов Ga-In: 1 -200 "С, 2 - 250 "С, 3 - 300 °С, 4 - 350 "С, 6 - 400 "С, 7 - 450 "С, 8 - 500 "С, 9 - 600 °С, 10 -700 "С, И - 800 °С, 12 - 900 "С, 13 - 1000 "С, 14 - 1100 °С.

Е, кД?кчиоль"1

9,0

3,0 -1-1-'-1-1-1-1-1-1-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 «т- %

Рис.12. Концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения расплавов В1-РЬ

Е, кДж-моль"1

Рис.13. Концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения расплавов РЬ-5п

£,кДж-моль"'

Рис. 14. Концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения расплавов Оа-1п

Однако в исследованных нами системах не обнаружено существования интерметаллических соединений. К тому же в системе В1-РЬ нами выявлен не максимум, а, наоборот, минимум вязкости.

Возможно, более приемлемое объяснение существования отмеченных нами экстремумов содержится в работе Д. Кима, который показал, что в растворах плотность электронных состояний на уровне Ферми ЩЕР) весьма чувствительна к количеству атомов различного сорта в первой координационной сфере вокруг атома любого компонента. При составах, соответствующих изменению числа односортных атомов в этой сфере на единицу, величина ЩЕ/.) испытывает возмущения. Плотность фермиевских состояний определяет не только электроночувствительные свойства атомов, но и потенциалы их взаимодействия с соседями, а значит, их вязкостные свойства. В нашем случае наиболее выразительные особенности на изотермах зафиксированы при концентрациях одного из компонентов, близких к 10 и 20 ат. %, что можно связать с указанным изменением числа односортных атомов в впервой координационной сфере на единицу.

Таким образом, проведенные нами исследования кинематической вязкости расплавленных систем ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в термодинамически устойчивых состояниях, во-первых, существенно расширили концентрационный и

21

температурный диапазоны справочных данных, необходимых для расчета динамики течения этих расплавов по каналам различных технологических устройств. Кроме того, выявленные в данном исследовании экстремумы на изотермах вязкостных характеристик указанных систем необходимо принимать во внимание при определении оптимальных концентраций циркулируемого сплава.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Модернизирована установка по измерению кинематической вязкости методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследованным расплавом с целью повышения чувствительности и точности определения декремента затухания. В условиях оптимизированных параметров подвесной системы расплавы Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In классифицированы как слабовязкие жидкости. Усовершенствованная система регистрации декремента затухания колебаний существенно уменьшила случайную составляющую погрешности его определения и позволила свести к минимуму трудоемкость не только самого эксперимента, но и последующей обработки его результатов.

2. Измерены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов систем Bi-Pb, Pb-Sn и Ga-In в ходе нагрева образцов после плавления до 1100 °С и при последующем охлаждении. По точкам ветвления указанных кривых определены температуры необратимого перехода расплавов из метастабильного микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора.

3. Для большинства исследованных сплавов обнаружено ветвление температурных зависимостей кинематической вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении (гистерезис вязкости); автор связывает данный эффект с необратимым переходом расплава из метастабильного микрогетерогенного состояния в состояние истинного раствора (гомогенизацией расплава). По точкам ветвления температурных зависимостей определены температуры перехода расплава в гомогенное состояние. В гидродинамическом приближении оценена объемная доля

дисперсных частиц в микрогетсрогснных расплавах ЕН-РЬ и РЬ-Бп при различных температурах,

4. По полученным экспериментальным кривым методом кубической сплайн-интерполяции рассчитаны значения вязкости при фиксированных температурах (с шагом 50 °С), которые могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании теплообменных аппаратов ЯЭУ.

5. Построены изотермы вязкости изученных систем, а также концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения; на них отмечен ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание при определении оптимальных концентраций циркулируемого сплава.

Основные результаты работы опубликованы:

1. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Nalalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome ll-16july 2010, "Sapienza"-University of Rome.-P. 104.

2. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, А.В. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С, Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы докладов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» / Сборник тезисов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)» / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. - 2010. - С.64-66.

3. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, А.В. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Сборник трудов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» на CD / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ.-2010.

4. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости жидких галлия, индия и их сплавов [Тексг] / М.А. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С.Попель, А.Г. Мозговой / Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов: Труды X Российского семинара / Под общей ред. Б.С. Воронцова. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010 - С. 105-106.

5. Guzachev М. Experimental research of viscosity temperature dependences of molten bismuth, lead and their eutectic alloy (Bi-55.5at-%Pb) range [Текст] M. Guzachev and N. Konstantinova / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome 11-16 july 2010, "Sapienza" - University of Rome. - P. 184.

6. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г.Новосибирск, 2011- С.215-216.

7. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г.Новосибирск, 2011. - I CD-ROM. - ISBN 978-5-89017-030-9.

8. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель / Сборник тезисов VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», 17-19 октября 2011 г. -Екатеринбург: УрФУ - 2011. - С.94.

9. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидких олова свинца и их взаимного эвтектического сплава [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН. - 2011. - С.19-20.

10. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость расплавов свинец-висмут и галлий-индий [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. - С. 107-110.

11. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Natalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / EPJ Web of Conferences - Vol. 15, 01014. - 2011.

12. Гузачев M.A Температурные зависимости кинематической вязкости висмута, свинца и их взаимных расплавов [Текст] / М.А. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Теплофизика и аэромеханика, 2011. - Том 18. - No.3. -С.485-491.

Подписано в печать01.02.12. Формат 60 * 84 Чи Бумага для множ. апп. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ Ъ1-£6.

Оригинал макет подготовлен в Институте физики и технологии Отпечатано в отделе множительной техники Уральского государственного педагогического университета 620017 Екатеринбург, пр. Космонавтов, 26 E-mail: psy-uspu@mail.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»

Экспериментальное исследование вязкости перспективных жидкометаллических теплоносителей ВьРЬ, РЬ-8п и Са-1п для ядерной

энергетики

Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

61 12-1/580

На правах рукописи

Гузачев Михаил Александрович

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Попель П.С.

Екатеринбург - 2012

Оглавление

Введение.......................................................................................3

Глава 1. Постановка задач и выбор объектов исследования......................10

1.1. Проблема новых теплоносителей для ядерной энергетики............10

1.2. Вязкость металлического расплава как свойство, чувствительное

к его внутреннему строению и межатомному взаимодействию......17

1.3. Анализ имеющихся данных о вязкости расплавов висмут-свинец, свинец-олово и галлий-индий................................................20

1.4. Метастабильная микрогетерогенность расплавов в системах эвтектическими диаграммами состояния.................................25

Глава 2. Методика и техника эксперимента..........................................31

2.1. Метод затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом.......31

2.2. Экспериментальная установка...............................................37

2.3. Модернизация вискозиметра.................................................42

2.4. Методика проведения измерений...........................................48

2.5. Обработка результатов и оценка погрешностей измерения вязкости...........................................................................52

Основные результаты и выводы...................................................54

Глава 3. Вязкость жидких РЬ, В\, Бп, ва и 1п и необратимые изменения вязкости бинарных расплавов ВьРЬ, РЬ-8п и ва-Гп................................55

3.1. Температурные зависимости вязкости чистых висмута, свинца, галлия, индия, олова...........................................................55

3.2. Температурные зависимости кинематической вязкости расплавов ВьРЬ, РЪ-Бп и Оа-1п............................................................59

3.3. Обсуждение полученных результатов......................................68

Основные результаты и выводы...................................................71

Глава 4. Вязкость и связанные с ней характеристики расплавов ВьРЬ, РЬ-8п и

Оа-1п в термодинамически устойчивых состояниях................................72

4.1.Вязкость расплавов в термодинамически устойчивых состояниях....72 4.2 Концентрационные зависимости вязкости и энергии активации

вязкого течении исследованных расплавов...............................85

Основные результаты и выводы........................................................91

Заключение..................................................................................92

Список используемой литературы......................................................94

Приложение 1..............................................................................105

Приложение 2..............................................................................110

Введение

Актуальность темы исследования. Неотъемлемой частью энергетики любого технологически развитого государства являются атомные электростанции (АЭС). Вся промышленность зависит от их стабильной и безопасной работы. Как известно, большинство АЭС в нашей стране введено в эксплуатацию во второй половине прошлого века, а значит сегодня, многие из реакторов выработали свой ресурс [1]. Так же, совершенно не допустимы аварийные ситуации на АЭС, в результате которых происходит разрушение активной зоны реактора и, как следствие, заражение окружающей среды [2]. Поэтому им на смену должны прийти агрегаты с повышенной надежностью и улучшенными техническими характеристиками. К таким реакторам, в первую очередь, можно отнести агрегаты с жидкометаллическим теплоносителем в первичном контуре охлаждения [3]. До сих пор в качестве такого теплоносителя использовался жидкий натрий. Но ввиду его высокой химической активности, окисляемости, активируемости нейтронами, становится ясно, что необходим поиск новых перспективных жидкометаллических теплоносителей для ядерной энергетики, а также исследование их теплофизических свойств и создание на их основе таблиц справочных данных. Согласно [4] в качестве таких теплоносителей могут быть использованы расплавы систем ВьРЬ, РЬ-Бп и Оа-1п, и, в первую очередь, их эвтектические композиции. Как известно в критических и нештатных ситуациях температура в активной зоне реактора может изменяться в больших пределах [5] и, в частности, от свойств теплоносителя зависит течение и последствия аварии. Кроме того, в результате воздействия высоких температур возможны как обратимые, так и необратимые изменения внутренней структуры самого теплоносителя.

До постановки данного исследования новые теплоносители не изучались систематически, а также не было даже предположений об изменениях

внутренней структуры при воздействии высоких температур, которые могут быть реализованы в аварийных ситуациях.

Вязкость является одним из основных физических свойств жидкостей, в том числе расплавленных металлов. Значения вязкости, полученные в достаточно широком интервале температур, определяют режимы течения жидкометаллического теплоносителя по трубам теплообменных аппаратов. Кроме того, вязкость - структурно чувствительное свойство. По ее температурным зависимостям можно судить о внутренней структуре расплавов.

Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы было проведение систематического вискозиметрического исследования кинематической вязкости расплавов систем ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в интервале составов от 0 до 100 % второго компонента и в широком интервале температур, поиск особенностей на температурных и концентрационных зависимостях их вязкости, связанных со структурными перестройками, и, наконец, составление таблиц справочных данных по вязкости указанных теплоносителей.

В соответствии с этим, перед диссертантом были поставлены следующие основные задачи:

1. Модернизировать установку для измерению кинематической вязкости методом, основанным на фиксировании периода и декремента затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследуемым расплавом, с целью повышения чувствительности и точности определения декремента затухания, а также упрощения записи результатов для их последующей обработки.

2. Измерить температурные зависимости кинематической вязкости расплавов ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в интервале составов от 0 до 100 % второго компонента в ходе нагрева образца после его расплавления и последующего охлаждения. Проанализировать полученные зависимости с целью обнаружения признаков необратимого перехода исследованных

расплавов из метастабильного микрогетерогенного состояния в термодинамически устойчивое состояние гомогенного раствора; определить температуры их гомогенизации.

3. Построить изотермы вязкости и энергии активации вязкого течения гомогенных расплавов, обратив особое внимание на наличие и локализацию их особенностей.

4. Выполнить расчеты значений вязкости при фиксированных температурах, и на их основе создать таблицы справочных данных по вязкости теплоносителей.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

- В широком интервале составов и температур исследованы температурные зависимости кинематической вязкости расплавов систем ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в режимах нагрева после плавления и последующего охлаждения.

- Для большинства составов обнаружено ветвление температурных зависимостей кинематической вязкости, полученных в ходе нагрева образцов после плавления и при последующем охлаждении (гистерезис вязкости).

- По точкам ветвления указанных кривых определены температуры гомогенизации изученных расплавов.

- Построены изотермы вязкости и концентрационные зависимости энергии активации вязкого течения гомогенных расплавов ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в интервале составов от 0 до 100 % второго компонента.

- Созданы таблицы справочных данных по вязкости указанных перспективных теплоносителей.

Практическая ценность работы.

Полученные температурные и концентрационные зависимости

кинематической вязкости, а также, значения энергий активации вязкого

течения жидких сплавов ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п могут быть использованы в качестве справочных данных при конструировании и создании ядерных энергетических установок на быстрых нейтронах.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований кинематической вязкости расплавов ВьРЬ, РЬ-8п и Оа-1п в области составов от 0 до 100 % второго компонента и температур от ликвидуса или точки плавления до 1100 °С;

- вывод о существовании необратимых перестроек в указанных расплавах при их нагреве до определенных в ходе эксперимента температур;

- обнаруженные особенности на концентрационных зависимостях вязкости и энергии активации вязкого течения;

- результаты расчетов вязкости при фиксированных температурах и созданные на их основе таблицы справочных данных

Выполнение работы. Работа выполнена на кафедре общей физики и естествознания Уральского государственного педагогического университета в период очной аспирантуры и является частью научной деятельности кафедры по теме «Физические и физико-технические свойства металлов и сплавов». Ее выполнение было поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 09-08-00040-а «Исследование кинетических свойств тяжёлых жидкометаллических теплоносителей для энергетических ядерных реакторов на быстрых нейтронах».

Измерения вязкости проводились на установке, созданной на кафедре общей физики и естествознания Уральского государственного педагогического университета С.А. Вержболовичем под руководством М.С. Петрушевского. При участии автора эта установка была модернизирована с целью повышения точности определения декремента затухания колебаний и автоматизации проводимых экспериментов. Автором лично оптимизированы параметры подвесной системы установки, проведены

вискозиметрические исследования жидких сплавов систем Bi-Pb, Ga-In и Pb-Sn, оценена погрешность измерений и обработаны результаты.

Планирование экспериментов, обсуждение и интерпретация их результатов проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- Использованием апробированных методов вискозиметрии расплавов.

- Повышением точности регистрации декремента затухания колебаний тигля с исследуемым расплавом.

- Корректной оценкой погрешности измерений.

- Воспроизводимостью полученных результатов и обнаруженных эффектов.

- Согласием результатов с имеющимися литературными данными по вязкости жидких металлов и сплавов.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации,

докладывались и обсуждались на следующих Международных и Российских

th

конференциях и семинарах: 14 International Conference on Liquid and Amorphous Metals, Рим, 2010 г.; Межотраслевом семинаре «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)», Обнинск, 2010 г.; X Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов», Курган, 2010 г.; XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», Екатеринбург, 2011 г.; XIV Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, Новосибирск, 2011 г.; VI Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», Екатеринбург, 2011 г.

Публикации. Основные результаты опубликованы в 12 работах, из них одна статья - в рецензируемом журнале:

1. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Natalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome 11-16 july 2010, "Sapienza" - University of Rome. - P. 104.

2. Гузачев M.A. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, A.B. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы докладов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» / Сборник тезисов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах (Теплофизика-2010)» / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ. - 2010. - С.64-66.

3. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости и скорости ультразвука жидких висмута, свинца и их сплавов [Текст] М.А.Гузачев, Н.Ю.Константинова, A.B. Борисенко, Д.А. Ягодин, В.В. Филлипов, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Сборник трудов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» на CD / Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ.-2010.

4. Гузачев М.А. Температурные зависимости кинематической вязкости жидких галлия, индия и их сплавов [Текст] / М.А. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С.Попель, А.Г. Мозговой / Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов: Труды X Российского семинара / Под общей ред. Б.С. Воронцова. - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010 - С. 105-106.

5. Guzachev М. Experimental research of viscosity temperature dependences of molten bismuth, lead and their eutectic alloy (Bi-55.5at.%Pb) range [Текст] M. Guzachev and N. Konstantinova / XIV Liquid and Amorphous Metals Conference, Rome 11-16 july 2010, "Sapienza" - University of Rome. - P.l 84.

6. Гузачев M.A. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Тезисы XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г. -Новосибирск. -2011- С. 215-216.

7. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ, 28 июня - 1 июля 2011 г.Новосибирск, 2011. - 1 CD-ROM. - ISBN 978-5-89017-030-9.

8. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость жидкометаллических теплоносителей для реакторов на быстрых нейтронах [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель / Сборник тезисов VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», 17-19 октября 2011 г. - Екатеринбург: УрФУ. - 2011. - С.94.

9. Гузачев М.А. Исследование кинематической вязкости жидких олова свинца и их взаимного эвтектического сплава [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН, 2011. - С. 19-20.

10. Гузачев М.А. Кинематическая вязкость расплавов свинец-висмут и галлий-индий [Текст] М.А. Гузачев, Н.Ю.Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Труды XIII Российской конференции «Строение металлических и шлаковых расплавов». Т.2. Экспериментальное изучение жидких и аморфных металлических систем. Екатеринбург: УрО РАН. - 2011. - С. 107-110.

11. Popel Pjotr Physical properties of heavy liquid-metal coolants in a wide temperature range [Текст] / Pjotr Popel, Sergey Stankus, Alexandre Mozgovoy, Rashid Khairulin, Michail Pokrasin, Denis Yagodin, Natalja Konstantinova, Alexandre Borisenko and Mikhail Guzachev / EPJ Web of Conferences Vol 15, 01014, - 2011.

12. Гузачев M.A Температурные зависимости кинематической вязкости висмута, свинца и их взаимных расплавов [Текст] / М.А. Гузачев, Н.Ю. Константинова, П.С. Попель, А.Г. Мозговой / Теплофизика и аэромеханика. - 2011. - Том 18. - №. 3. -С. 485-491.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 103 наименований. Она изложена на 110 страницах, содержит 8 таблиц и 34 рисунка.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю П.С. Попелю за помощь в планировании представляемого исследования и обсуждении его результатов. Также автор благодарит Н.Ю. Константинову и Д.А. Ягодина за помощь и поддержку в проведении опытов и доброе отношение.

Глава 1 Постановка задач и выбор объектов исследования

1.1 Проблема новых теплоносителей для ядерной энергетики.

Энергетика является одной из важнейших отраслей промышленности любой развитой страны. Главное требование к этой отрасли - стабильность в работе - может быть выполнено, если все ее составные части будут надежными и безопасными. Последнее условие особенно важно для атомных электростанций (АЭС). Электроэнергия, вырабатываемая на АЭС, отличается сравнительной дешевизной, что позволяет атомным электростанциям конкурировать с электростанциями других типов. [6]

Сегодня в мире насчитывается порядка 450 ядерных реакторов [7]. По классификации МАГАТЭ [8], их можно разделить на несколько видов: графитовые реакторы с отводом тепла водой, графитовые реакторы с газовым охлаждением, легководные реакторы, тяжеловодные реакторы, реакторы на быстрых нейтронах. Каждый из перечисленных типов реакторов обладает своими достоинствами и недостатками.

Начиная с 1946 г. внимание конструкторов АЭС было привлечено к проблеме создания реакторов на быстрых нейтронах. К их неоспоримым и уникальным достоинствам можно отнести возможность вовлечения в топливный цикл запасов и-238 и ТЬ-232, �