Технические науки. Металлургия
Д.ф.-м.н.
Красин В.П., к.ф.-м.н. Союстова С.И., Семенов В.В., Васин В.Н.
Московский
государственный индустриальный университет
Взаимодействие тройного расплава Pb−Bi−Li с компонентами
конструкционных материалов в присутствии примеси кислорода
Повышение требований к безопасности и надёжности работы ядерных
энергетических установок побуждает к поиску новых теплоносителей, обладающих
преимуществами по сравнению с традиционными (вода, инертные газы и др.). Весьма
перспективными с этой точки зрения оказываются жидкометаллические
теплоносители, обладающие целым комплексом положительных ядерно-физических и
теплофизических свойств.
В частности, представляет интерес сплав Pb-Bi-Li, в котором отношение xPb/xBi – остается тем же, что и в двойном эвтектическом
сплаве Pb44,5Bi55,5, а содержание Li не превышает 1,5%.
В связи с этим, расчеты проводились по двум направлениям:
-
нахождение температурной
зависимости растворимости кислорода в тройных расплавах Pb−Bi−Li в
ограниченном диапазоне концентраций лития;
-
расчет пороговых
концентраций кислорода в тройном расплаве Pb34Bi43Li23,
необходимых для образования оксидов компонентов конструкционных материалов, а
так же Y и La.
Для расчета растворимости
кислорода и предельных концентраций кислорода, необходимых для образования
перечисленных оксидов в тройном расплаве Pb34Bi43Li23
использовались уравнения координационно-кластерной модели (ККМ) металлических
расплавов [1, 2, 3].
Расчет
предельной концентрации кислорода в тройном металлическом расплаве Pb34Bi43Li23
проводился по уравнению:
, (1)
где aLi – активность лития в расплаве; gO – коэффициент термодинамической активности
кислорода в расплаве; xO – предельная концентрация кислорода в
расплаве.
Расчет значения пороговой концентрации образования Li3NbO4 проводился на основе вычисления изменения энергии Гиббса следующей
реакции:
. (2)
На рис.
приведена температурная зависимость минимальной концентрации кислорода xO в расплаве Pb34Bi43Li23,
необходимой для образования двойных и тройных оксидов металлов.
Рис. Температурная зависимость минимальной
концентрации кислорода xO в расплаве Pb34Bi43Li23,
необходимой для образования двойных и тройных оксидов; 1 – Y2O3; 2 – La2O3; 3 -
концентрация кислорода в Pb34Bi43Li23,
рассчитанная по уравнению (1); 4 – Li3NbO4; 5 – NbO
На основании проведенных расчетов и
имеющихся экспериментальных данных, можно сделать следующие выводы:
1.
По величине
растворимости кислорода в жидкой фазе в диапазоне температур 300-750ºС,
расплавы можно расположить в порядке убывания: Li, Bi, Pb, Pb34Bi43Li23,
Li17Pb83. Уровень кислорода в расплавах Li17Pb83
и Pb34Bi43Li23 будет определяться началом
выпадения из расплава оксида лития, как самого термодинамически устойчивого в
этих условиях соединения.
2.
Тройной расплав Pb34Bi43Li23
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 Li17Pb83.
3.
Среди двойных оксидов в
равновесии с тройным расплавом Pb34Bi43Li23 могут
существовать только оксиды Y2O3 и La2O3, которые характеризуются более высокой термодинамической
стабильностью по сравнению с Li2O. Из тройных соединений с кислородом, более
отрицательным значением энергии Гиббса по сравнению с Li2O обладает оксид
Li3NbO4.
Список литературы
1.
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.