Прогнозирование термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава Pb-Bi-Li как перспективного теплоносителя термоядерного реактора

Союстова, Светлана Игоревна

Прогнозирование термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава Pb-Bi-Li как перспективного теплоносителя термоядерного реактора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Союстова, Светлана Игоревна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Прогнозирование термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава Pb-Bi-Li как перспективного теплоносителя термоядерного реактора»

Автореферат диссертации на тему "Прогнозирование термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава Pb-Bi-Li как перспективного теплоносителя термоядерного реактора"

4848243

СОЮСТОВА Светлана Игоревна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО РАСПЛАВА РЬ-ВМл КАК ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 КЮН 2011

Москва-2011 г.

Автор:

4848243

Работа выполнена в Московском государственном индустриальном университете (ГОУ МГИУ)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.П. Красин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

В.В. Алексеев

доктор физико-математических наук, профессор C.B. Симаков

Ведущая организация НИЯУ МИФИ г. Москва

Защита состоится июня 2011 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 002.060.01 Института металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 49

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМЕТ РАН им. A.A. Байкова справки по телефону (499) 135-44-91

Автореферат разослан ш /» JUCUJ^ 2011 г.

Просим принять участие в работе диссертационного совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу ИМЕТ РАН им. A.A. Байкова

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

/ В.М. Блинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Успех в создании энергетического термоядерного реактора и на первом этапе демонстрационного ректора типа ДЕМО во многом определяется оптимальным выбором материалов для его систем, узлов и элементов.

Из существующих концепций тритийвоспроизводящего бланкета (с твердым и жидким бридером) перспективной является концепция жидко-металлического самоохлаждаемого бланкета, в котором литийсодержащий расплав одновременно выполняет функции теплоносителя и тритийвоспроизводящего материала.

В качестве жидких сред, которые могут воспроизводить тритий в термоядерных установках, обычно рассматриваются жидкие металлы, водные растворы литиевых солей и расплавленную смесь солей - флайб (LiF-ВеРг). Каждая из этих сред имеет свои недостатки и преимущества.

Решение задач, связанных с выбором конструкционного материала и прогнозированием его совместимости с жидкометаллическим теплоносителем, требует нахождения различных термодинамических параметров, среди которых, активности, растворимости, парциальные давления, параметры взаимодействия между компонентами.

Низкая температура плавления (125 °С) и высокая температура кипения (1670 °С) двухкомпонентного свинцово-висмутового сплава эвтектического состава явились теми факторами, которые привлекали внимание исследователей к рассмотрению трехкомпонентных сплавов Pb-Bi-Li в качестве теплоносителя и одновременно тритийвоспроизводящего материала в перспективных проектах термоядерного реактора. В частности, представляет интерес сплав Pb-Bi-Li, в котором отношение хп/х^ - остается тем же, что и в двойном эвтектическом сплаве Pb^jBis^j, а содержание Li не превышает 1 % (масс.).

Предварительные термодинамические оценки показали, что по своим физико-химическим характеристикам расплав Pb-Bi-Li указанного состава

близок к двойному эвтектическому расплаву 1л]7РЬ8з. Низкие значения растворимости трития в эвтектическом расплаве свинец-литий и в тройном сплаве РЬ-ВЫл, делают исследуемый в настоящей работе материал более перспективным с точки зрения радиационной безопасности по сравнению с литиевым теплоносителем. Более высокое давление над эвтектическим расплавом 1лпРЬ8з и тройным сплавом РЬ-Вь1л, позволяет использовать метод проницаемых мембран для извлечения трития из теплоносителя.

В качестве еще одного преимущества тройного расплава РЬ-ВЫл перед чистым литием, следует отметить его большую химическую инертность при контакте с водой, что делает этот сплав менее пожароопасным. По такому важному параметру, как температура плавления, сплав РЬ-Вь1л, в котором отношение хрь/хв; - остается тем же, что и в двойном эвтектическом сплаве РЬ4415В155>5, а содержание 1л не превышает 1 % (масс.) может считаться более перспективным, чем хорошо изученные теплопередаюшие среды, такие как чистый литий и 1лиРЬ8з.

В настоящее время исследования расплава РЬ-Вь1л, указанного выше состава, ограничиваются измерениями температуры ликвидуса и серией опытов по взаимодействию расплава с водой. В тоже время решение вопроса о возможности использования расплава РЬ-Вь1л в качестве бри-дерного материала и теплоносителя невозможно без детального исследования термодинамических параметров растворов кислорода и изотопов водорода в этом расплаве.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача получения таких термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава РЬ-ВМл, как константа Сивертса растворов водорода, пороговые концентрации образования оксидов металлов, а также величины растворимостей компонентов конструкционных материалов. Знание вышеперечисленных физико-химических параметров необходимо для обоснования выбора метода извлечения трития и прогнозирования коррозионных процессов при взаимодействии конструкционных материалов с расплавом.

Цель работы

Целью работы явилось прогнозирование термодинамических свойств расплава свинец-висмут-литий, рассматриваемого в качестве нового бри-дерного материала и теплоносителя перспективных термоядерных установок, с использованием координационно-кластерной модели металлических расплавов.

В соответствии с целью работы были сформулированы конкретные задачи исследования:

- Проведение расчетно-теоретической оценки влияния небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций.

- Проведение сравнительного анализа теоретических модельных оценок таких характеристик, как константа Сивертса, равновесные давления образования гидрида лития, растворимости водорода с экспериментальными данными для системы РЬ-1л-Н.

- Развитие координационно-кластерной модели для расчета константы Сивертса растворов водорода в расплавах системы РЬ-Вь1л.

- Разработка методики расчета пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов илрия и лантана.

- Расчет температурных зависимостей растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-В1-Ы на основе экспериментальных данных для бинарных систем. Научная новизна работы

- Впервые получены температурные зависимости константы Сивертса растворов водорода в расплавах системы РЬ-Вь1л.

- Определена пороговая концентрация лития в тройном расплаве, при которой реакция растворения водорода из эндотермической становится экзотермической.

- Разработан метод расчета пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также иттрия и лантана.

- Впервые получены температурные зависимости величин равновесного коэффициента распределения кислорода в системе твердый металл -РЬмВЦзПгз, который характеризует процесс перераспределения кислорода и степень его развития в данной системе.

- Показано, что тройной расплав РЬ34В14з1л2з будет восстанавливать оксидные пленки на поверхности конструкционных материалов. Способ защиты от коррозии методом образования пассивирующих пленок для данного теплоносителя не применим, как и в случае эвтектики Хл^РЬзз-

- Впервые получены температурные зависимости растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-Вь1л.

Практическая значимость работы

Результаты расчетно-теоретического исследования термодинамики растворов изотопов водорода в расплавах систем РЬ-1л и РЬ-Вь1л могут быть использованы для совершенствования методов контроля содержания трития в бланкете и оптимизации процессов извлечения трития из жидко-металлического бланкета в разрабатываемых прототипах энергетического термоядерного реактора.

Практически важными, являются данные о величинах растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-ВМл, позволяющие определять области температур и составов жидкой фазы, где конструкционный материал и расплав совместимы друг с другом.

Основные положения, выносимые на защиту

- Результаты расчетно-теоретической оценки влияния небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций.

- Полученные температурные и концентрационные зависимости постоянной Сивертса растворов водорода в расплавах системы Pb-Bi-Li.

- Метод расчета пороговых концентраций кислорода в расплавах Pb-Bi-Li, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов иттрия и лантана.

- Результаты расчета равновесного коэффициента распределения кислорода между твердой фазой и трехкомпонентным металлическим расплавом, учитывающие зависимость коэффициента распределения от всех парных энергий взаимообмена между компонентами четверной системы.

- Результаты расчета температурных зависимостей растворим остей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве Pb-Bi-Li.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность научных положений и выводов подтверждена согласованностью полученных данных с результатами других исследований, установленных с помощью других методик, и признанием их на Российских конференциях. Личный вклад соискателя

Соискатель принимал непосредственное участие в обсуждении и постановке задачи. Все расчетные процедуры с применением компьютерных программ проведены соискателем. Анализ полученных результатов и подготовка публикаций выполнена с соавторами. Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Диссертация изложена на 129 страницах, содержит 45 рисунков, 19 таблиц и список цитируемой литературы (суммарно 115 пунктов).

Апробация работы

Основные положения работы представлены и обсуждены на следующих научных семинарах и конференциях: научные сессии МИФИ-2009 (Москва, 2009 г.), МИФИ-2010 (Москва, 2010 г.); межведомственный семинар «Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей» Теп-лофизика-2009 (Обнинск, 2009 г.); межотраслевой семинар «Тяжелые жид-кометаллические теплоносители в быстрых реакторах» Теплофизика-2010 (Обнинск, 2010 г.); международная школа-семинар «Физика в системе высшего и среднего образования России» (Москва, 2010 г.). Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ в научных журналах и сборниках трудов конференций и семинаров, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность рассмотрения трехкомпо-нентных сплавов РЬ-ВьЫ в качестве теплоносителя и одновременно три-тийвоспроизводящего материала в перспективных проектах термоядерного реактора. Также обоснована необходимость получения таких термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава РЬ-ВМл, как константа Сивертса растворов водорода, давление, пороговые концентрации образования оксидов металлов, а также величины растворимостей компонентов конструкционных материалов. Знание вышеперечисленных физико-химических параметров позволит выбрать оптимальный метод извлечения трития из расплава и прогнозировать коррозионные процессы при взаимодействии конструкционных материалов с теплоносителем.

Сформулирована цель работы, указаны ее новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведен сравнительный анализ физических и физико-химических свойств теплоносителей и бридерных материалов потенциально возможных для использования в перспективных проектах реакторов

управляемого термоядерного синтеза, проанализированы факторы, определяющие коррозию конструкционных материалов в бинарных расплавах легкоплавких металлов и солевых расплавах. Далее проанализированы различные варианты термодинамического описания бинарных и многокомпонентных металлических растворов с помощью кластерных моделей жидкого состояния.

На основании проведенного аналитического обзора сделан вывод о том, что задача совершенствования методов расчета физико-химических характеристик растворов неметаллов в трехкомпонентных жидкометалли-ческих системах с целью применения этих методов к прогнозированию термодинамических свойств новых бридерных материалов является актуальной.

В главе 2 приведен аналитический вывод зависимости изменения температуры двойной эвтектики от концентрации третьего компонента, а также проведена оценка влияния небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций лития.

В большинстве испытательных термоядерных установок, которые можно рассматривать как прототипы энергетического термоядерного реактора (ТЯР), предполагается использовать дейтерий-тритиевый топливный цикл. Тритий необходимо извлекать из бланкета, не допуская его потерь, что обусловлено не только экономическими соображениями, но и сильным отрицательным его действием на человеческий организм.

Для долговременной безопасной эксплуатации жидкометаллической системы ТЯР необходимо решить несколько серьезных проблем: извлечение трития из литийсодержащих материалов; предотвращение утечек трития; проблему совместимости жидкого лития или литийсодержащего расплава с конструкционными материалами; снижение магнитогидродинами-ческого сопротивления при прокачке жидких металлов и другие.

На протяжении последних тридцати лет проводятся интенсивные исследования по поиску новых бланкетных материалов, обладающих целым комплексом необходимых свойств. Позиции, которые необходимо учитывать при выборе того или иного тритийвоспроизводящего материала, следующие: теплофизические свойства; ядерно-физические свойства; физико-химические свойства; коррозионные свойства; теплопередающие свойства; особенности технологии теплоносителя; бридерные свойства и особенности технической реализации вывода трития; магнитогидродинамические проявления; вопросы безопасности и экологии.

На рис. 1 приведены линии ликвидуса и солидуса для расплавов РЬ-ЕИ-1л, для которых сохраняется отношение х?ъ:хв^0,ПЪ (то же самое, что и в двойной эвтектике РЬ-ЕЙ). Характер изменения температуры ликвидуса и солидуса, в частности, достаточно быстрое увеличение температуры с ростом содержания лития указывает на то, что состав тройной эвтектики соответствует точке на тройной диаграмме, лежащей в диапазоне от 1 до 6 % (ат.) лития.

Расчеты по нашей методике позволяют проанализировать положение линии двойной эвтектики только до момента достижения температуры тройной эвтектики. Поэтому расчеты, проводившиеся в настоящей работе, ограничивались диапазоном концентраций лития от 0 до 6 % (ат.). Сравнение результатов расчета с экспериментально определенными точками кривой солидуса свидетельствуют о качественном соответствии между результатом расчета и экспериментальными данными.

Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что температура ликвидуса для трехкомпонентного расплава згРЬ=34 % (ат.), хВ;=43 % (ат.) и хц=23 % (ат.) повышается на 20 "С, а солидуса снижается примерно на 5 °С по сравнению с двойным эвтектическим расплавом РЬ44_5В15515. Это связано с тем, что состав хРЬ=34 % (ат.), хщ=43 % (ат.) и лгц=23 % (ат.) не лежит на линии двойной эвтектики.

t°,c

140

130

120

п 7:-Ф—5- -Ф-Ф-Ф

- D □ а

Ф ' Ф 2

□ 3

110

15 *ц,% (ат.)

Лис. 1. Влияние добавок лития на температуру ликвидуса и солидуса в тройной системе Pb-Bi-Li при xPb:xBi=44,5:55,5:1 - солидус; 2 - ликвидус;

3 - линия двойной эвтектики в тройной системе (расчет) 1 и2- эксперимент по данным работы Rogers A. G., Benedict B.L., Clemmer R.G. -Proc. 9th symposium on engineering problems of fusion research, Chicago, IL, USA, 26 Oct 1981

Определение положения точки тройной эвтектики на концентрационном треугольнике в системе Pb-Bi-Li расчетными методами является чрезвычайно сложной задачей, т.к. это потребовало бы анализа «конкуренции» более четырех фаз.

В главе 3 проведено сравнение теоретических модельных оценок термодинамических свойста водорода в расплаве системы Pb-Li-H с экспериментальными наблюдениями, а также показана возможность распространения координационно-кластерной модели для бинарного раствора на систему из трех металлических компонентов и водорода.

Координационно-кластерная модель позволяет на основании термодинамических данных для бинарных систем рассчитывать термодинамические характеристики растворенного неметаллического компонента (водорода) в четырехкомпонентной системе. Предполагается, что атомы водорода в расплаве трех металлов Pb, Bi и Li занимают позиции внедрения с

координационным числом г. Каждый атом водорода в расплаве в качестве ближайших соседей имеет у атомов РЬ, к атомов В1 и / атомов 1л {1=г-]-к), Расплав содержит {г+\){?±2)12=\5 видов таких конфигураций1, которые называются кластерами и обозначаются Термодинамические свойства водорода в расплаве связаны с относительной концентрацией кластеров различного состава и зависят также от термодинамических параметров растворителя.

Для проверки применимости уравнений координационно-кластерной модели к расчету термодинамических характеристик растворов водорода в расплавах РЬ-1л-В1, было необходимо выбрать систему, для которой имеются достаточно надежные экспериментальные данные, описывающие зависимость константы Сивертса растворов водорода в жидкометаллическом расплаве от температуры и парциального давления водорода как функцию его содержания в расплаве. В качестве системы, для которой необходимые измерения были проведены в широком диапазоне концентраций металлических компонентов, была выбрана система РЬ-1л-Н.

Константа Сивертса является ключевым параметром, которым необходимо руководствоваться при выборе оптимального метода извлечения трития из расплава.

Известно, что водород растворяется в жидких металлах в атомарной форме, и его разбавленные растворы подчиняются закону Сивертса

н, (1) где - постоянная Сивертса, измеряемая в [(Па)й / мольная доля].

Согласно координационно-кластерной модели коэффициент активности водорода в двойном расплаве выражается уравнением

-1 * г!

Тн = I —

У-о Дг- 7)!

хрьТрь(рь-Ц)

Ущрь)

•ЧлТькРЬ-и)

Ун(Ь')

1 В случае растворов водорода координационное число для атомов водорода г=4. 12

где у, /=(г-/) - число атомов свинца и лития в первой координационной сфере атома водорода соответственно; г - число ближайших соседей атома водорода (г=4); унррь) и ущц) - коэффициенты активности водорода в двойных системах РЬ-Н и 1л-Н соответственно; урь(рь-и) и уи{рь-щ - коэффициенты активности РЬ и И в системе РЪ-Ы; хРЬ и Хц - мольные доли РЬ и 1л в расплаве РЬ-1л-Н; ? - параметр, учитывающий относительное ослабление прочности металлической связи для атомов, находящихся в первой координационной сфере вокруг атома водорода (( = 0,25); И в - энергетический параметр, который является константой при данной температуре (для системы РЬ-1л рекомендуется 1ав = 4697 Дж/моль, при этом значении наблюдается наилучшее соответствие теоретических оценок с помощью координационно-кластерной модели с экспериментом); К - универсальная газовая постоянная; Т- абсолютная температура.

Для разбавленных растворов (в этом случае у не зависит от концентрации) выполняется соотношение

_ Ким

У им ~ То-' V3'

/н

где индекс М соответствует одному из металлических компонентов (РЬ или 1л) и Уд - фугитивность2 водорода при температуре Т и давлении р.

Комбинируя формулы (1) и (2), исключаем фугитивность /ц и выражаем константу Сивертса для раствора водорода в системе РЬ-Ы через термодинамические данные для бинарных систем

•v

■ь-ьо

~л!Г

-1 2 2\

^рьУрьсрь-и) 1Гх-

%(рь)

ЦУЦ(рь 1л) #еХр

[-^Ы, (4)

*Н(и) 1 ^ 2КТ

У=0 Дг-У)!

где Кщ?ь) и КИ(Ц1 - константы Сивертса водорода в двойных системах РЬ-Н и 1л-Н соответственно.

2 Фугитивность/данного газа (компонента газовой смеси) - такая функция давления р и температуры Т, подстановка которой вместо давления (парциального давления) в термодинамические уравнения для идеального газа делает их справедливыми и для реального газа при рассматриваемых условиях.

На рис. 2 представлена экспериментальная и расчетная температурная зависимость константы Сивертса для растворов водорода в расплаве ЫпРЬ8з. Следует отметить, что наблюдаемое в этой системе уменьшение константы Сивертса с ростом температуры также характерно для растворов водорода в чистом свинце (рис. 3). В тоже время для растворов водорода в чистом литии, характер изменения этого параметра принципиально иной (рис. 3) - константа Сивертса увеличивается с ростом температуры.

700°С 600°С 500°С 400°С 300°С

ю! р-

е; о

«С

ri о S

"ей

ю7 -

10s

1,3 1,4 1,5 1,6

107Г,К"1

Рис. 2. Температурная зависимость константы Сивертса растворов водорода в расплаве LipPbss (1 - расчет, 2 - эксперимент по данным работы Chan Y.C., Veleckis Е. -J. Nucí. Mater. -1984. - v. 122 -123. -p. 935-940)

В данной работе также было проведено сравнение результатов расчета концентрационной зависимости константы Сивертса от содержания лития и изменения характера реакции растворения водорода с экспериментальными данными.

Для растворов водорода в тройных расплавах системы Pb-Bi-Li термодинамические данные в литературе не найдены.

Для константы Сивертса водорода в разбавленном растворе из трех металлических компонентов получено следующее уравнение

Ki¡ = I zic¡cij j=0k=0

^PbYpbO'b-Bi-Li)

\k H(Pb)

*BiYBi(Pb-Bi-Li)

к,

I/z

H(Bi)

*LiYl.i(Pb-B¡-Li)

KVz

H(L¡)

■exp

Муъ-т +MhBi-u+Jlhpb-u 2RT

где к - число атомов висмута в первой координационной сфере атома водорода соответственно; Хщво - константа Сивертса водорода в двойной системе ВьН; угь(рмз;-1л), Уи(рь-вш) и Ув1(рь-вш) - коэффициенты активности РЬ, и В1 в системе Pb-Bi-Li соответственно; хВ', - мольная доля В! в расплаве

РЬ-1л-ВьН; с/ - сочетания из г элементов поАрь-в-:, ЬЪ\-и и /¡рыц - энергетические параметры, которые являются константами для тройных систем РЬ-ВьО, ВШ-0 и РЬ-У-О.

Используя данные по константам Сивертса водорода в системах 1л-Н, РЬ-Н, Bi-H и уравнения координационно-кластерной модели, была получена температурная зависимость константы Сивертса водорода в тройном расплаве РЬ-В1-1л (рис. 3).

700°С 600°С 500°С 400°С 300°С

ч §

1 1 1 1 4 / 1

S / /

= 3

= .. 1 . 1 1 / 1 I 1 1 1 1

1 1,1 1,2 и 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

1077; К"'

Рис. 3. Влияние температуры на константу Сивертса водорода в расплавах: 1 - литий; 2 - ЫпРЬщ (эксперимент по данным работы Chan Y. С., Ve-leckis Е. - J. Nucl. Mat. -1984. - v. 122 -123. -p. 935-940); 3 - свинец; 4 - Pb34BÍ4iLÍ23 (расчет)

Следует отметить, что наблюдаемое в тройной системе уменьшение константы Сивертса с ростом температуры также характерно для двойной эвтектики LinPbgß.

Как следует из приведенных графиков, константа Сивертса в тройном расплаве примерно на 5 порядков превышает соответствующие величины для растворов водорода в чистом Li. В то же время, константа Сивертса для растворов водорода в чистом свинце, в эвтектике Li-Pb и в тройном расплаве Pb-Bi-Li принимает близкие значения.

В настоящей работе предполагалось, что в нашей тройной системе также как и в системе Pb-Li (рис. 4) существует двухфазная область, и выпадение гидрида начинается, когда концентрация водорода а-фазе достигнет максимума.

ю! 10' 10' 10' 10' 10°

10" 101 10'2 10'' 10° хн, мольные доли

Рис. 4. Зависимость парциального давления водорода над расплавами при 794 К от содержания водорода: 1 - LiscjPbл (расчет), 2 - Li^bu (эксперимент по данным работы Schumacher R„ Weiss А. //Бег. Bunsenges. Phys. Chem. -1990. - v. 94. р. 684-691); 3-Li17Pb83 (расчет)

Аи, Па"2

Исходя из энергии Гиббса образования гидридов лития, свинца и висмута, было сделано предположение, что в тройном расплаве при достижении предельной концентрации водорода, также как и в эвтектике 1л-РЬ, будет выпадать гидрид лития. По уравнениям координационно-кластерной модели расчетным путем была получена зависимость парциального давления водорода над расплавом РЬ-ВИл от концентрации водорода. При каждой температуре изменение давления водорода при увеличении его концентрации в расплаве ограничено величиной равновесного давления образования гидрида лития. Также как и для двойной эвтектики ЫпРЪи, при переходе в двухфазную область, давление водорода перестает расти с увеличением его содержания в системе (рис. 5).

Аи, Па"3

хш мольные доли

Рис. 5. Зависимость парциального давления водорода над расплавом от содержания водорода (расчет) при 794 К: 1 - РЬ34В1431г23; 2 - РЪ3цВ141Пп

Расчет равновесного давления образования гидрида лития над раствором водорода в расплаве РЬ-ВЫл проводился по следующему уравнению:

^(РщРЬ-ВШ)) = ^(РНСЫ)) ~ |п(лги • ГЩРЬ-ВШ)) >

(6)

где /^(рь-вш) - равновесное давление образования гидрида лития над раствором водорода в расплаве РЬ-Вь1л; рщи) - равновесное давление образования гидрида лития над раствором водорода в чистом Ы; хи - концентрация лития в металлическом расплаве 1л-РЬ; угдрь-вш) - коэффициент термодинамической активности 1л в расплаве РЬ-ВМл.

На основании полученных данных о величине равновесного давления образования гидрида лития в тройной системе, можно сделать предположение, что данное давление не будет достижимо в реальных условиях.

На рис. 6 представлены температурные зависимости растворимости водорода в жидкометаллических расплавах, полученные по уравнениям координационно-кластерной модели для тройной системы и эвтектики РЬ-1д при давлении в 1 атм.

700°С 600°С' 500°С 400°С 300°С

10'

§ 10'

2 10'

ц о Ю-*

10'

10"'

10'

| 1 ....... г 1 1

э- 4

= —■ 3 \

- - "—------

= / : 2

~ 1 1 1 1 .. 1, 1 1 1 1,

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

107Т, К"'

Рис. б. Температурная зависимость растворимости водорода в металлических расплавах: 1 - свинец; 2 - тройной сплав РЬ34В'14^Ы2з (расчет); 3 - эвтектический сплав ЫпРЬяз (расчет); 4 - литий

В главе 4 координационно-кластерная модель была применена к расчетам термодинамических свойств растворов кислорода в расплавах системы РЬ-Вь1л.

Известно, что коррозия конструкционных материалов в расплавах, содержащих свинец, в значительной степени управляется процессами образования и разрушения оксидных пленок на поверхности этих материалов. В случае разрушения оксидных пленок, примесь кислорода может усиливать коррозионное воздействие жидкого металла как за счет увеличения концентрации насыщения основных компонентов конструкционного материала, так и в результате активизации процессов, ускоряющих переход атомов (этих компонентов) через приграничный слой жидкого металла.

Основываясь на экспериментальных данных по исследованию влияния неметаллических примесей на коррозию конструкционных материалов в двойной эвтектике Ь^РЬвз, был сделано предположение о том, что наиболее коррозионно-активной в тройном расплаве РЬ-ВЫл (хръ=34 % (ат.), хвГ^З % (ат.) и Хц=23 % (ат.)) должна быть примесь кислорода.

В настоящей работе было сделано предположение, что величина предельной концентрации кислорода в тройном расплаве при данной температуре будет определяться началом выпадения из жидкой фазы оксида 1л20, т.к. из трех оксидов ГлгО, В120з и РЬО наиболее отрицательным значением энергии Гиббса на один моль кислорода характеризуется именно оксид лития.

По результатам расчетов был построен график температурной зависимости предельной концентрации кислорода в тройном расплаве РЬ34В14з1л2з (рис. 7).

700°С 600°С 500°С 400°С 300°С

101

5 10

я ►«

§ 10-S

* W"

10"!

Рис. 7. Температурная зависимость растворимости кислорода в металлических расплавах: 1 - эвтектический сплав Li!7Pba3 (эксперимент по данным работы Moriyama H., Tanaka S., Sze D.K. //Fusion Eng. & Des. -1995. -v. 28. - p. 226-239); 2 - тройной сплав Pb34Bi43Li23 (расчет); 3 - литий

Полученные данные по растворимости кислорода были использованы для оценки пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также иттрия и лантана.

Растворенный в жидкой фазе кислород вызывает не только увеличение растворимости твердых металлов в жидкой фазе, но и в определенных диапазонах концентраций и температур приводит к образованию тройных оксидов металлов. Из литературных источников известно, что в эвтектике Lii7Pbg3 происходит образование таких тройных соединений, как LiCrCh, 1лзМЬС>4, и др. В настоящей работе, используя значение энергии Гиббса образования Li3Nb04) была получена температурная зависимость пороговой концентрации образования этого соединения в расплаве РЬ34В14з1л2з.

Очевидно, что если значения пороговой концентрации образования оксида при данной температуре превышают величину растворимости ки-

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

10 7Г, К-1

слорода в расплаве, то данный оксид будет восстанавливаться, т.е. он не может находиться в равновесии с расплавом. И наоборот.

Таким образом, результаты расчета пороговых концентраций можно сравнить со значениями равновесной концентрации кислорода в тройном металлическом расплаве РЬз4Ш4з1л2з при 500-1000 К (рис. 8). Из данных, приведенных на рис. 8, следует, что образование 1л3МЬС)4 на поверхности чистого ниобия возможно только при температурах выше 650 К.

Расчеты показали, что термодинамическая стабильность двойных оксидов, таких как Ре304, БЮ^, №0 ниже чем у оксида лития, следовательно, данные соединения не могут существовать в равновесии с тройным расплавом. Образование двойных оксидов, таких как Т120з, 2г02, У203 и ЬагОз происходит при концентрации кислорода, меньшей, чем та, которая необходима для образования 1л20 в рассматриваемом диапазоне температур.

700-е 600°С 500°С 400°С 300°С

I 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

103/Г,К~'

Рис. 8. Температурная зависимость минимальной концентрации кислорода хо в расплаве РЬ34В^3Ы23, необходимой для образования двойных и тройных оксидов; 1 - У2Оу, 2 ~ Ьа203; 3 - 2г02; 4 - Т1203; 5 - концентрация насыщения кислорода в РЬ34В143Ы2з (расчет); 6- Ы$№>04; 7 -ШО

Известно, что одним из механизмов коррозии конструкционного материала, является растворение его компонентов в металлическом расплаве. Поэтому, для оценки совместимости конструкционного материала с тройным расплавом РЬмВцзПгз в настоящей работе были получены данные по растворимости его компонентов в жидкой фазе.

Для проверки правомерности, используемого в настоящей работе теоретического подхода, были получены температурные зависимости растворимости железа, хрома и никеля в двухкомпонентных расплавах 1лпРЬ8з и РЬф},5В155>5. Сравнение экспериментальных данных с полученными расчетным путем показало, что данные зависимости качественно хорошо согласуются друг с другом.

Показано, что по убыванию величины растворимостей основных компонентов хромоникелевой стали (Ре, Сг, №) расплавы расположились следующим образом: РЬ44>5В155>5, РЬз4Вцз1л2з, ЫпРЬвз- Величины растворимостей основных компонентов хромоникелевой стали в расплавах 1лпРЬ83 и РЬ34В14з1л2з принимают близкие значения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе координационно-кластерной модели расплавов разработан метод расчета постоянной Сивертса растворов водорода в системах РЬ-1д и РЬ-ВМл в широком диапазоне концентраций и температур.

2. Проведена сравнительная оценка результатов расчета константы Сивертса водорода и величины равновесного давления образования гидрида лития в металлических расплавах с экспериментальными данными для всего диапазона концентраций металлических компонентов в системе РЬ-1л-Н. Имеет место удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными данными.

3. Проведенные расчеты показали, что термодинамические характеристики (константа Сивертса, предельная концентрация) растворов водорода в трехкомпонентном расплаве РЬ34Вц31л2з близки к соответствующим характеристикам двойной эвтектики Гл^РЬвз.

4. При содержании лития, равном 50% (ат.) в тройном расплаве (хРЬ: хБ;=44,5:55,5) наблюдается изменение характера реакции растворения водорода. Реакция из эндотермической становится экзотермической с увеличением содержания лития.

5. Сравнение экспериментальных и теоретических значений термодинамических характеристик растворов водорода в системах РЬ-1л-Н и РЬ-ВМл-Н позволяет сделать вывод о том, что в расплаве РЬз4В14з1л2з при каждой температуре давление водорода при увеличении его концентрации в расплаве ограничено величиной равновесного давления образования гидрида лития. При увеличении содержания лития в тройном расплаве РЬ-Вь1л значение равновесного давления образования гидрида лития убывает.

6. По величине растворимости кислорода в жидкой фазе в диапазоне температур 300-750°С, расплавы можно расположить в порядке убывания: литий, висмут, свинец, РЬз4В14з1л2з, 1л17РЬ83. При этом на основании имеющихся экспериментальных данных можно заключить, что уровень кислорода в расплавах 1л17РЬ8з и РЬз+ВизЫгз будет определяться началом выпадения оксида лития из расплава, как самого термодинамически устойчивого в этих условиях соединения.

7. Разработана методика расчета пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов итгрия и лантана. Расчеты по уравнениям координационно-кластерной модели показали, что среди двойных оксидов в равновесии с тройным расплавом Pbз4Bi4зLi2з могут существовать следующие оксиды: Т)'20з, 2х0г, У203, Ьа203 и Ы3МЪ04.

8. Тройной расплав РЬ34В1431Л23 будет восстанавливать оксидные пленки на поверхности конструкционных материалов. Способ защиты от коррозии методом образования пассивирующих пленок для данного теплоносителя не применим, как и в случае эвтектики Ь^РЬвз.

9. Величины растворимостей основных компонентов хромоникелевой стали (Бе, Сг, N0 в расплавах 1л17РЪ8з и РЪ34В14з1л2з в диапазоне температур 350-700°С принимают близкие значения.

Основные публикации по теме диссертации

1. Красин В.П., Союстова С.И. Использование параметров взаимодействия для анализа изотермического массопереноса в металлических расплавах // Машиностроение и инженерное образование. - 2008. - № 4. - с. 25-29.

2. Красин В.П., Союстова С.И. Анализ взаимодействий в расплавах Ыа-О-Н с помощью координационно-кластерной модели // В сб. научных трудов «Научная сессия МИФИ-2009». В 6 т. Ядерная физика и энергетика. М.: НИЯУ МИФИ, 2009. - т. 2. - с. 209-212.

3. Союстова С.И., Красин В.П., Арнольдов М.Н. Влияние небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций // В сб. тезисов докладов на межведомственном семинаре «Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей» (Теплофизика-2009). Обнинск, ГНЦ РФ-ФЭИ, 2009. -с. 50-52.

4. Красин В.П., Союстова С.И. Координационно-кластерная модель для расчета константы Сивертса растворов водорода в расплавах системы РЬ-Вь1л // Перспективные материалы. - 2010. - № 3. - с. 38-43.

5. Красин В.П., Союстова С.И. Образовательный процесс и роль жидких металлов в энергетике будущего // В сб. тезисов докладов Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования России»/Под ред. проф. Г.Г. Спирина-М.: АПР, 2010. - с. 173-175.

6. Союстова С.И., Красин В.П., Арнольдов М.Н. Влияние небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций // Известия вузов. Ядерная энергетика. - 2010. -№2. - с. 151-155.

7. Красин В.П., Союстова С.И., Арнольдов М.Н. Прогнозирование термодинамических свойств разбавленных растворов кислорода в тройном

расплаве РЬ-ВМл // В сб. тезисов докладов межотраслевого семинара «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» (Тепло-физика-2010). Обнинск, ГНЦРФ-ФЭИ, 2010. - с. 75-79.

8. Красин В.П., Союстова С.И. Использование координационно-кластерной модели для расчета константы Сивертса в разбавленных растворах системы РЬ-Вг-Ы-Н // Ядерная физика и инжиниринг. - 2010. - т. 1. -№2.-с. 123-129.

9. Красин В.П., Союстова С.И. Термодинамика разбавленных растворов кислорода в тройных расплавах РЬ-ВМл // Известия МГИУ. - 2010. - № 3. -с. 6-10.

СОЮСТОВА Светлана Игоревна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО РАСПЛАВА Pb-Bi-Li КАК ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Автореферат

Подписано в печать 18.05.11 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,75. Уч.-изд. л. 1,75. Тираж 100. Заказ № 157

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 620-39-90

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Союстова, Светлана Игоревна

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КЛАСТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ.

1.1. Сравнительный анализ физических и физико-химических свойств теплоносителей и бридерных материалов для реакторов управляемого термоядерного синтеза.

1.1.1. Литий и эвтектический расплав свинец-литий.

1.1.2. Флайб.

1.2. Коррозия конструкционных материалов в бинарных расплавах легкоплавких металлов и солевых расплавах.

1.2.1. Коррозионные процессы в эвтектике свинец-литий.

1.2.2. Коррозионные процессы в жидкосолевом бланкете.

1.2.3. Коррозионные процессы в эвтектике свинец-висмут.

1.3. Растворимость водорода в литии и эвтектике свинец-литий.

1.4. Термодинамическое описание бинарных и многокомпонентных металлических растворов.

1.5. Термодинамика разбавленных растворов неметаллов в двух- и трехкомпонентных металлических растворителях.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЛИКВИДУСА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСПЛАВУ РЬ-В Ш.

2 Л. Постановка задачи.

2.2. Аналитический вывод зависимости изменения температуры эвтектики от концентрации третьего компонента.

2.3. Влияние небольших добавок лития на температуру ликвидуса системы свинец-висмут-литий в ограниченном диапазоне концентраций

ГЛАВА 3. КООРДИНАЦИОННО-КЛАСТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА КОНСТАНТЫ СИВЕРТСА РАСТВОРОВ ВОДОРОДА В РАСПЛАВАХ СИСТЕМЫ РЬ-ВШ.

3.1. Используемая термодинамическая модель.

3.2. Сравнение теоретических модельных оценок с экспериментальными наблюдениями.

3.3. Применение координационно-кластерной модели к расчетам константы Сивертса растворов водорода в расплавах системы РЪ-ВьП

3.4. Связь термодинамических свойств расплава с его кластерным составом.

3.4.1. Система РЪ-1л-Н.

3.4.2. Система РЬ-ВМл-Н.

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ КИСЛОРОДА В ТРОЙНОМ РАСПЛАВЕ РЬ-ВШ.

4.1. Применение координационно-кластерной модели к расчетам термодинамических свойств растворов кислорода в расплавах системы РЬ-ВьЫ.

4.2. Перераспределение кислорода в системе твердый металл - расплав РЬз4В14З1л2З.

4.3. Растворимость компонентов конструкционных материалов в расплаве РЬз4В14з1л2з.

Введение диссертация по физике, на тему "Прогнозирование термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава Pb-Bi-Li как перспективного теплоносителя термоядерного реактора"

Актуальность работы

Успех в создании энергетического термоядерного реактора и на первом этапе демонстрационного реактора типа ДЕМО во многом определяется оптимальным выбором материалов для его систем, узлов и элементов.

Из существующих концепций тритийвоспроизводящего бланкета (с твердым и жидким бридером) перспективной является концепция жидко-металлического само охлаждаемого бланкета, в котором литийсодержащий расплав одновременно выполняет функции теплоносителя и тритийвоспроизводящего материала.

В качестве жидких сред, которые могут воспроизводить тритий в термоядерных установках, обычно рассматриваются жидкие металлы, водные растворы литиевых солей и расплавленную смесь солей - флайб (1лБ-ВеР2). Каждая из этих сред имеет свои недостатки и преимущества.

Низкая температура плавления (125 °С) и высокая температура кипения (1670 °С) двухкомпонентного-свинцово-висмутового сплава эвтектического состава явились теми факторами, которые привлекали внимание исследователей к рассмотрению трехкомпонентных сплавов РЬ-ВьЫ в качестве теплоносителя и одновременно тритийвоспроизводящего материала в перспективных проектах термоядерного реактора. В частности, представляет интерес сплав РЬ-Вь1Л, в котором отношение лгрь/^в; - остается тем же, что и в двойном эвтектическом сплаве РЬ44(5В155)5, а содержание 1л не превышает 1 % (масс:).

Предварительные термодинамические оценки показали, что по своим физико-химическим характеристикам расплав РЬ-ВьЫ указанного состава близок к двойному эвтектическому расплаву ГлпРЬзз- Низкие значения растворимости трития в эвтектическом расплаве свинец-литий и- в тройном сплаве РЬ-Вь1л, делают исследуемый в настоящей работе материал более перспективным с точки зрения радиационной безопасности по сравнению с литиевым теплоносителем. Более высокое давление над эвтектическим расплавом 1л17РЬ8з и тройным сплавом РЬ-Вь1л, позволяет использовать метод проницаемых мембран для извлечения трития из теплоносителя.

В качестве еще одного преимущества тройного расплава РЬ-Вь1л перед чистым литием, следует отметить его большую химическую инертность при контакте с водой, что делает этот сплав менее пожароопасным. По такому важному параметру, как температура плавления, сплав РЬ-Вь1л, в котором отношение хрь/-"^ - остается тем же, что и в двойном эвтектическом сплаве РЬ44>5В155,5, а содержание 1Л не превышает 1 % (масс.) может считаться более перспективным, чем хорошо изученные теплопередающие среды, такие как чистый литий и 1л17РЬ8з.

В настоящее время исследования расплава РЬ-ВьГЛ, указанного выше состава, ограничиваются измерениями температуры ликвидуса и серией опытов по взаимодействию расплава с водой. В тоже время решение вопроса о возможности использования расплава РЬ-Вь1л в качестве бри-дерного материала и теплоносителя невозможно без детального исследования термодинамических параметров растворов кислорода и изотопов водорода в этом расплаве.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача получения таких термодинамических характеристик трехкомпонентного расплава РЬ-В1-1л, как константа Сивертса растворов водорода, пороговые концентрации образования оксидов металлов, а также величины растворимостей компонентов конструкционных материалов. Знание вышеперечисленных физико-химических параметров необходимо для обоснования выбора метода извлечения трития и прогнозирования коррозионных процессов при взаимодействии конструкционных материалов с расплавом. Цель работы

Целью работы явилось прогнозирование термодинамических свойств расплава свинец-висмут-литий, рассматриваемого в качестве нового бри-дерного материала и теплоносителя перспективных термоядерных установок с использованием координационно-кластерной модели металлических расплавов.

В соответствии с целью работы были сформулированы конкретные задачи исследования:

- Разработка методики расчета пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов иттрия и лантана.

- Расчет температурных зависимостей растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-Вь1л на основе экспериментальных данных для бинарных систем. Научная новизна работы

- Впервые получены температурные зависимости величин равновесного коэффициента распределения кислорода в системе твердый металл -РЬз4В14з1л2з, который характеризует процесс перераспределения кислорода и степень его развития в данной системе.

- Показано, что тройной расплав РЬз4В1431л2з будет восстанавливать оксидные пленки на поверхности конструкционных материалов. Способ защиты от коррозии методом образования пассивирующих пленок для данного теплоносителя не применим, как и в случае эвтектики 1л]7РЬ8з

- Впервые получены температурные зависимости растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-ВьЫ.

Практическая значимость работы

Результаты расчетно-теоретического исследования термодинамики растворов изотопов водорода в расплавах систем РЬ-Ы и РЬ-Вь1л могут быть использованы для совершенствования методов контроля содержания, трития в бланкете и оптимизации процессов извлечения трития из жидко-металлического бланкета в разрабатываемых прототипах энергетического термоядерного реактора.

Практически важными, являются данные о величинах растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпонентном расплаве РЬ-В1-1л, позволяющие определять области температур и составов жидкой фазы, где конструкционный материал и расплав совместимы друг с другом.

Основные положения, выносимые на защиту

- Полученные температурные и концентрационные зависимости постоянной Сивертса растворов водорода в расплавах системы РЬ-Вь1л.

- Метод расчета пороговых концентраций кислорода в расплавах РЬ-Вь 1л, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов иттрия и лантана.

- Результаты расчета температурных зависимостей растворимостей основных компонентов конструкционных материалов в трехкомпоиентном расплаве РЬ-ВьЫ.

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе координационно-кластерной модели расплавов разработан метод расчета постоянной Сивертса растворов водорода в системах РЬ-Ы и РЬ-Вь1л в широком диапазоне концентраций и температур.

3. Проведенные расчеты показали, что термодинамические характеристики (константа Сивертса, предельная концентрация) растворов водорода в трехкомпонентном расплаве РЬз4В1431л2з близки к соответствующим характеристикам двойной эвтектики Ы17РЬ8з.

4. При содержании лития, равном 50 % (ат.) в тройном расплаве (хрь: хВ1=44,5:55,5) наблюдается изменение характера реакции растворения водорода. Реакция из эндотермической становится экзотермической- с увеличением содержания лития.

5. Сравнение экспериментальных и теоретических значений термодинамических характеристик растворов водорода в системах РЬ—1л—Н и РЬ-Ш—1л—Н позволяет сделать вывод о том, что в расплаве РЬ34В14з1л2з при каждой температуре давление водорода при увеличении его концентрации в расплаве ограничено величиной равновесного давления образования гидрида лития. При увеличении содержания лития в тройном расплаве РЬ-Вь1л значение равновесного давления образования гидрида лития убывает.

6. По величине растворимости кислорода в жидкой фазе в диапазоне температур 300-750°С, расплавы можно расположить в порядке убывания: литий, висмут, свинец, РЬ34В1431Л23, ГлпРЬвз- При этом на основании имеющихся экспериментальных данных можно заключить, что уровень кислорода в расплавах 1л17РЬ8з и РЬ34Вцз1л2з будет определяться началом выпадения оксида лития из расплава, как самого термодинамически устойчивого в этих условиях соединения.

7. Разработана методика расчета пороговых концентраций кислорода, необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а также оксидов иттрия и лантана. Расчеты по уравнениям координационно-кластерной модели показали, что среди двойных оксидов в равновесии с тройным расплавом РЬз4В143Ь12з могут существовать следующие оксиды: Тл20з, 2г0г, УгОз, Ьа2Оз и 1л3№Ю4.

8. Тройной расплав РЬ34В143Ь123 будет восстанавливать оксидные пленки на поверхности конструкционных материалов. Способ защиты от коррозии методом образования пассивирующих пленок для данного теплоносителя не применим, как и в случае эвтектики 1л17РЬ8з.

9. Величины растворимости основных компонентов хромоникелевой стали в расплавах 1лпРЬ8з и РЬ34В:Цз1л2з в диапазоне температур 350-700°С принимают близкие значения.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Союстова, Светлана Игоревна, Москва

1. Адамов Е.О., Габараев Б.А., Орлов В.В. Роль ядерной энергетики в крупномасштабной энергетике России XXI века // Атомная энергия. — 2004. т. 97. - вып. 2. - с. 83-91.

2. Асхадуллин Р.Ш., Юдинцев П.А. Конструкционные материалы для теплоносителя свинец висмут // Атомная техника за рубежом. - 2002. -№5. - с. 10-16.

3. Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н., Миловидова A.B., Морозов В.А. Проницаемость и растворимость водорода в свинцово-висмутовом расплаве эвтектического состава // Теплофизика высоких температур. — 2004. -т. 42.-№5.-с. 714.

4. Вагнер К. Термодинамика сплавов. М.: Металлургиздат, 1957. - 79 с.

5. Баландин Ю.Ф., Марков В.Г. Конструкционные материалы для установок с жидкометаллическими теплоносителями. СУДПРОМ ГИЗ Ленинград, 1961 г. - 208 с.

6. Бескоровайный Н.М., Васильев В.К., Люблинский И.Е. Определение растворимости железа, никеля и хрома в литии методом рентгеноспек-трального анализа // Металлургия и металловедение чистых металлов. М.: Атомиздат, 1980. Вып. 14. - с. 135-147.

7. Бескоровайный Н.М., Иолтуховский А.Г. Конструкционные материалы и жидкометаллические теплоносители. М.: Энергоатомиздат, 1983. -168 с.

8. Бескоровайный Н.М., Русаков A.A., Люблинский И.Е. Конструкционные материалы (взаимодействие с жидкими металлами) // Итоги науки и техники. Сер. Металловедение и термическая обработка. М.: ВИНИТИ, 1977. - т. 11. - с. 112-151.

9. Быстрое П.И., Каган Д.Н., Кречетова Г.А., Шпильрайн Э.Э. Жидкометаллические теплоносители тепловых труб и энергетических установок. —1. М.: Наука, 1988.

10. Глазов В.М. Основы физической химии. М.: Высшая школа, 1981. -456 с.

11. Горынин И. В., Карзов Г. П., Марков В. Г. и др. Конструкционные материалы для атомных реакторов с жидкометаллическими теплоносителями в виде свинца или сплава свинец висмут // Металловедение и термическая обработка металлов. 1999. - № 9. - с. 20-24.

12. Демидович Б.П., Кудрявцев В.А. Краткий курс высшей математики. — М: ACT, 2005. 654 с.

13. Гуляев А.П. Металловедение. М: Металлургия, 1986. — 272 с.

14. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3 т. / Под общей ред. Н.П.Лякишева. М.: Машиностроение, 1996.

15. Жидкие металлы. Материалы Третьей международной конференции по жидким металлам / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1980. - 392 с.

16. Жуховицкий A.A., Шварцман JI.A. Физическая химия. М.: Металлургия, 1987. - 688 с.

17. Зродников A.B., Тошинский Г.И., Григорьев О.Г. и др. Модульный быстрый реактор малой мощности со свинцово-висмутовым теплоносителем для многоцелевого применения СВБР-75/100 // Атомная энергия. -2004. т. 97. - вып.2. - с. 91-98.

18. Зродников A.B., Тошинский. Г.И., Григорьев О.Г. и др. Модульные многоцелевые свинцово-висмутовые быстрые реакторы для ядерной энергетики // Теплоэнергетика. 2005. - №1. — с. 16-24.

19. Иванов В.А., Соловьев В.А. Растворимость элементов в литии: Аналитический обзор ОБ-35. Обнинск: ФЭИ, 1977.

20. Кауфман Л., Бернстейн X. Расчет диаграмм состояния с помощью ЭВМ. М.: Мир, 1972. - 326 с.

21. Константы взаимодействия металлов с газами: Справ, изд. / Я.Д. Коган, Б.А. Колачев, Ю.В. Левинский и др. М.: Металлургия, 1987. - 368 с.

22. Конструкционные материалы ядерных реакторов. В 2-х ч. Ч. II.

23. Структура, свойства, назначение / Н.М. Бескоровайный, Ю.С. Беломытцев, М.Д. Абрамович и др.; под ред. Н.М. Бескоровайного. М.: Атомиздат, 1977.-256 с.

24. Коррозия конструкционных материалов в жидких щелочных металлах/ Б.А. Невзоров, В.В.Зотов, В.А. Иванов и др.; под ред. Б.А. Невзорова.- М.: Атомиздат, 1977. 264 с.

25. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. - 392 с.

26. Кузин А.Н., Люблинский И.Е., Бескоровайный Н.М. Экспериментально-теоретическое определение растворимости переходных металлов в жидком литии // Материалы для атомной техники. М.: Энергоатомиздат, 1983.-с. 33-41.

27. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975. - 490 с.

28. Лепинских Б.М., Киташёв A.A., Белоусов A.A. Окисление жидких металлов и сплавов. М.: Наука, 1979. - 116 с.

29. Лившиц Б.Г. Металлография. М.: Металлургия, 1990. - 236 с.

30. Литий / В.И. Субботин, М.Н. Арнольдов, М.Н. Ивановский и др. -М.: ИздАТ, 1999. 263.

31. Литий в термоядерной и космической энергетике XXI века / В.Н. Михайлов, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский и др. М.: Энергоатомиздат, 1999.- 528 с.

32. Люпис К. Химическая термодинамика материалов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1989. - 503 с.

33. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов / Г.М. Грязнов, В.А. Евтихин, И.Е. Люблинский и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 240 с.

34. Морачевский А.Г., Сладков И.Б. Термодинамические расчеты в металлургии: Справ. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1993. -304 с.

35. Никитин В.И. Физико-химические явления при воздействии жидкихметаллов на твердые. М.: Атомиздат, 1967. - 441 с.

36. Островский О.И., Григорян В.А., Вишкарев А.Ф. Свойства металлических расплавов. -М.: Металлургия, 1988. 304 с.

37. Падерин С.Н., Филиппов В.В. Теория и расчеты металлургических систем и процессов. М.: МИСИС, 2002. - 334 с.

38. Полухин В.А., Спиридонов М.А., Жукова JI.A. Структура и атомная динамика в конденсированных металлах // Уч. элект. текст, изд. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (Екатеринбург), 2009. - 97 с. URL: http://www.ustu.ru (дата обращения 30.09.2010).

39. Свелин P.A. Термодинамика твердого состояния / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1968. - 316 с.

40. Смитлз К.Дж. Металлы: Спр. изд. / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1980.-447 с.

41. Сравнительное исследование коррозионной стойкости аустенитной стали в литии и сплаве свинец-литий эвтектического состава / Г.М. Гряз-нов, В.А. Евтихин, Л.П. Завьяльский и др. // Атомная энергия. 1985. - т. 59. - Вып. 5. - с. 355-358.

42. Субботин В.И., Ивановский М.Н., Арнольдов М.Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. -М.: Атомиздат, 1970. 296 с.

43. Такахаши К., Токой X. Коррозионное повреждение нержавеющей стали в жидком свинцово-висмутовом сплаве // Атомная техника за рубежом. -2002,-№8.-с. 23-26.

44. Тугоплавкие металлы и сплавы / Е.М. Савицкий, Г.С. Бурханов, К.Б. Поварова и др. М.: Металлургия, 1968. - 394 с.

45. Физическое металловедение. В 3 т. Т. 2. Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с особыми физическими свойствами / Под ред. Р.У. Кана, П.Т. Хаазена. М.: Металлургия, 1987.

46. Физико-химические основы металлургических процессов / A.A. Жу-ховицкий, Д.К. Белащенко. и др. М.: Металлургия, 1973. - 392 с.

47. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов: В 2 т. / Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1962. - 1488 с.

48. Шанк Ф.А. Структуры двойных сплавов: Пер. с англ./ Под ред. И.И. Новикова и И.Л. Рогельберга. М.: Металлургия, 1973.

49. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е. и др. Теплофизические свойства щелочных металлов. М.: Издательство стандартов, 1970.

50. Aiello A., Benamati G., Chini М. Hydrogen permeation through tritium permeation barrier in Pb-17Li. Fusion Engineering and Design. 2001. - v. 58 -59.-part В.-p. 737-742.

51. Alcock C.B., Richardson F.D. Dilute solutions in molten metals and alloys // Acta Metallurgica. 1958. - v.6. - № 3. - p. 385-395.

52. Alcock C.B., Richardson F.D. Dilute solutions in alloys // Acta Metallurgica. 1960. - v. 8. - № 8. - p. 882-887.

53. Ali-Khan J. Solubility of iron in liquid lead // Material behavior and physical chemistry in liquid metal systems. N. Y.: Plenum press, 1982. - p. 237-242.

54. An assessment of the Fe-S system using a two-sublattice model for the liquid phase / A.F. Guillermet, M. Hillert, B. Jansson et al. // Metallurgical Transactions B. 1981. - v. 12. - № 12. - p. 745-754.

55. Azad Abdul-Majeed Critical temperature of the lead-bismuth eutectic (LBE) alloy // Journal of Nuclear Materials. 2005. - v. 341. - p. 45-52.

56. Barker M.G., Coen V., Kolbe H. et. al. The effect of oxygen impurities on the behaviour of type 316 stainless in Pb-17L // Journal of Nuclear Materials. -1988.-v. 155-157.-p. 732-735.

57. Barker M.G., Lees J.A., Sample T. Corrosion of type 316L stainless steel in Pb-17Li // Journal of Nuclear Materials. 1991. - v. 179-181. - Part A. - p. 599602.

58. Blander M., Saboungi M.-L., Cerisier P. A statistical mechanical theory for activity coefficients of a dilute solute in a binary solvent // Metallurgical Transactions B. 1979. - v. 10. - № 12. - p. 613-622.

59. Borgstedt H.U., Feuerstein H. The solubility of metals in Pb-17Li alloys //

60. Journal of Nuclear Materials. 1992. - v. 191 - 194. - p. 988-991.

61. Casini G. Liquid metals in fusion power reactors // Liquid metal engineering and technology. London: BNES, 1984. - v. 3. - p. 303-316.

62. Chan Y.C., Veleckis E. A thermodynamic investigation of dilute solutions of hydrogen in liquid Li-Pb alloys // Journal of Nuclear Materials. 1984. -v. 122- 123.-p. 935-940.

63. Chiang T., Chang Y.A. The activity coefficient of oxygen in binary liquid metal alloys // Metallurgical Transactions B. 1976. - v. 7. - № 9. - p. 453-467.

64. Chopra O., Smith D. Corrosion of ferrous alloys in eutectic lead-lithium environment // Journal of Nuclear Materials. 1984. - v. 122-123. - p. 12191224.

65. Cladding and structural materials // Reactor Materials. 1967. - v. 10. -№ 3. - p. 158-189.

66. Clinton S.D., Watson J.S. Tritium removal from liquid metals by ab-sorbtion on yttrium // Proc. 7th symp. on engineering problems of fusion research, Knoxville, TN, Oct. 25-28. 1977. - p. 1647-1649.

67. Coen V., Fenici P. Compatibility of structural materials with liquid breeders a review of recent work carried out at Ispra // Nuclear Engineering and Design / Fusion. - 1984. - v. 1. - p. 215-229.

68. Comparison of austenitic and martensitic steels behaviour in semi-stagnant Pb-17Li / J. Sannier, T. Dufrenoy, T. Flament, A. Terlain // Journal of Nuclear Materials. 1992. - v. 191-194. - Part B. - p. 975-978.

69. Courouau J.L. Electrochemical oxygen sensors for on-line monitoring in lead-bismuth alloys: status of development // Journal of Nuclear Materials. -2004. v 335, p. 254-259.

70. Fomichenko P.A. Lead-cooled Reactors: New concepts and Applications //

71. The reactors and their fuels. FJ/OH 2004, Cadarache, 2004. p. 47-50.

72. Fukada S., Kinoshita M., Kuroki K. et al. Hydrogen diffusion in liquid lithium from 500 °C to 650 °C // Journal of Nuclear Materials. 2005. - v. 346 -p. 293-297.

73. Ganesan R., Gnanasekaran T., Srinivasa Raman S. Diffusivity, activity and solubility of oxygen in liquid lead and lead-bismuth eutectic alloy by electrochemical methods // Journal of Nuclear Materials. 2006. - v. 375. - p. 229-242.

74. Ganesan R., Gnanasekaran T., Srinivasa Raman S. Standard molar Gibbs energy of formation of Pb5Bi80i7 and PbBii20i9 and phase diagram of the Pb-Bi-0 system // Journal of Nuclear Materials. 2008. - v. 349. - p. 133-149.

75. Gordon J.D., Garner J.K., Hoffman N.J. Application of lead and lithium-lead in fusion reactor blankets // Liquid metal engineering and technology. -London: BNES, 1984. v. 1. - p. 329-336.

76. Jacob K.T., Alcock C.B. Quasichemical equations for oxygen and sulphur in liquid binary alloys // Acta Metallurgica. 1972. - v. 20. - № 2. - p. 221-232.

77. Haycock E.M. Transition from parabolic to linear kinetics in scaling of metals // Journal of the Electrochemical Society. 1959. - v. 106. - p. 771-775.

78. Hillert M., Staffansson L.-I. The regular solution model for stoichiometric phases and ionic melts // Acta Chemica Scandinavica. 1970. - v. 24. - № 10. -p. 3618-3626.

79. Hubberstey P. Dissolved nitrogen in liquid lithium a problem in fusion reactor chemistry // Liquid metal engineering and technology. - London: BNES, 1984. - v. 2. - p. 85-91.

80. Hubberstey P., Sample T. Thermodynamics of Pb-17Li-bismuth interactions. Journal of Nuclear Materials. 1994. - v. 212 - 215. - p. 1021 - 1025.

81. Hubberstey P., Sample T., Barker M.G. Is Pb-17Li really the eutectic alloy? A redetermination of the lead-rich section of the Pb-Li phase diagram (0.0 < xLi(at.%) < 22.1) // Journal of Nuclear Materials. 1992. - v. 191-194. -Part A. - p. 283-287.

82. Kapoor M.L. Thermodynamics of dilute solution of an interstitial elementin molten ternary substitutional solvents // Scripta Metallurgica. 1976. - v. 10. -№4.-p. 323-326.

83. Kluch R.L. Effect of oxygen on the compatibility of niobium and potassium // Corrosion (USA). 1969. - v. 25. - № 10. - p. 416-422.

84. Kond M., Nagasaka T., Sagara A. et al. «Metallurgical Study on Corrosion of Steels in Molten Flibe (LiF-BeF2) for Design of Flibe Corrosion Test Loop», ICFRM-13, Dec. 10-14, 2007, Nice, France.

85. Kumari Sahu S., Ganesan R. and Gnanasekaran T. Studies on phase diagram of Pb-Cr-0 system // Journal of Nuclear Materials. 2008. - v. 376. -p. 366-370.

86. Kurata Y., Futakawa M. Saito S. Corrosion behavior of steels in liquid lead-bismuth with low oxygen concentrations // Journal of Nuclear Materials. -2008.-v. 373.-p. 164-178.

87. Lindemer T.B., Besmann T.M., Jonson C.E. Thermodynamic review and calculations alkali-metal oxide systems with nuclear fuels, fission products, and structural materials // Journal of Nuclear Materials. - 1981. - v. 100. -p. 178-226.

88. Lyublinski I.E., Krasin V.P., Evtikhin V.A. et al. Numerical and experimental determination of metallic solubilities in liquid lithium and lead-lithium eutectic // Journal of Nuclear Materials. 1995. - v. 224. - p. 288-292.

89. Martinov P.N., Ivanov K.D. «Nuclear Heat Application: Design Aspect and Opening Experiments», Proceedings of four technical meetings held between

90. Dec. 1995 and April 1998, p. 177-184.

91. Mas E. de les Vails, Sedano L.A., Batet L. et al. Lead-lithium eutectic material database for nuclear fusion technology // Journal of Nuclear Materials. -2008.-v. 376.-p. 253-257.

92. Moriyama H., Tanaka S., Sze D.K. Tritium recovery from liquid metals // Fusion Engineering and Design. 1995. - v. 28. - p. 226-239.

93. Muller G., Heinzel A., Schumacher G. et al. Control of oxygen concentration in liquid lead and lead-bismuth // Journal of Nuclear Materials. -2003. -v. 321.-p. 256-262.

94. Nagasaka T., Kondo M., Nishimura H. et al. «Long term corrosion test on JLF-1 steel in static high purity Flibe», TOFE-17, Nov. 13-15, 2006, Albuquerque, NM, USA.

95. Nas H., Malang S., Reiter F. et al. Liquid Breeder Materials // Journal of Nuclear Materials. 1988. - v. 155-157. - p. 178-187.

96. Natesan K. Influence of nonmetallic elements on the compatibility of structural materials with liquid alkali metals // Journal of Nuclear Materials. 1983. -v. 115.-№3.-p. 251-262.

97. Natesan K., Smith D.L. Effectiveness of tritium removal from a CTR lithium blanket by cold trapping secondary liquid metals Na, K and NaK // Nuclear Technology. 1974. - v. 22. - № 4. - p. 138-150.

98. Pierini G., Polcaro A.M., Ricci P.F. et al. Solubility of Hydrogen in Molten Lil7Pb83 Alloy // Journal of Chemical & Engineering Data. 1984. - v. 29. -p. 250 - 255.

99. Saboungi M.-L., Caveny D., Bloom I. et al. The coordination cluster theory: Extension to multicomponent systems. // Metallurgical Transactions A. -1987.-v. 18A. p. 1779- 1783.

100. Saboungi M.-L., Cerisier P., Blander M. The coordination cluster theory -description of the activity coefficients of dilute solutions of oxygen and sulfur in binary alloys // Metallurgical Transactions B. 1982. - v. 13. - № 9. - p. 429-437.

101. Sample T., Coen V., Kolbe H. et al. Selective surface preoxidation to inhibit the corrosion of AISI type 316L stainless steel by liquid Pb-17Li // Journal of Nuclear Materials. 1992. - v. 191-194. - Part B. - p. 979-983.

102. Schroer C., Vofl Z., Wedemeyer O. et al. Oxidation of steel T91 in flowing lead-bismuth eutectic (LBE) at 550 °C. 2006. - v. 356. - p. 189-197.

103. Schumacher R., Weiss A. Hydrogen solubility in the liquid alloys lithiumindium, lithium-lead, and lithium-tin // Berichte der Bunsen-Gesellschaft fur Physikalische Chemie. 1990. - v. 94. - p. 684-691.

104. Sobolev V.P., Schuurmans P., Benamati G. Thermodynamic properties and equation of state of liquid lead and lead-bismuth eutectic // Journal of Nuclear Materials. 2008. - v. 376. - p. 358-362.

105. Sundman B., Agren J. A regular solution model for phases with several components and sublattices, suitable for computer applications // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1981. - v. 42. - p. 297-301.

106. Rogers A.G.; Benedict B.L.; Clemmer R.G. Liquid Li-Pb-Bi, a new tritium breeder // Proc. 9th symposium on engineering problems of fusion research, Chicago, IL, USA, 26 Oct 1981.

107. Tortorelli P.F. Dissolution kinetics of steels exposed in lead lithium and lithium environments // Journal of Nuclear Materials. - 1992. - v. 191-194. -p. 65-69.

108. Veleckis E., Yonco R.M., Maroni V.A. The current status of fusion reactor blanket thermodynamics // Thermodynamics of nuclear materials / IAEA SM-236/56. Vienna: IAEA. - 1979. - p. 3-30.

109. Venkatraman M., Neumann J.P. The Bi-Cr (Bismuth-Chromium) system // Journal of phase equilibria. 1988. - v. 9. - № 3. - p. 271-273.

110. Venkatraman M., Neumann J.P. The Cr-Pb (Chromium-Lead) system // Journal of phase equilibria. 1988. - v. 9. - № 2. - p. 155-157.

111. Wagner C. The activity coefficient of oxygen and other nonmetallic elements in binary liquid alloys as a function of alloy composition // Acta Metallurgica. -1973. v. 21. - № 9. - p. 297-303.

112. Weeks, J.R., A.J. Romano, «Liquidus Curves and Corrosion of Fe, Ti, Zr and Cu in Liquid Bi-Pb Alloys», Corrosion NACE. 1969. - v. 25. - №. 3. - p. 131-136.

113. Wu C.H. The interaction of hydrogen isotopes with lithium-lead alloys // Journal of Nuclear Materials. 1984. - v. 122-123. - p. 941 - 946.

114. Wu C.H. The solubility of deuterium in lithium-lead alloys // Journal of Nuclear Materials. 1983. - v. 114. - p. 30 - 33.

115. Zhang J., Li N., Chen Y. et al. Corrosion behaviors of US steels in flowing lead-bismuth eutectic (LBE) // Journal of Nuclear Materials. 2005. - v. 336. -p. 1-10.

116. Zhang J., Li N. Review of the studies on fundamental issues in LBE corrosion // Journal of Nuclear Materials. 2008. - v. 373. - p. 351-377.