Сотрудники лаборатории термодинамики веществ и материалов Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН при исследовании поведения расплава свинцово-висмутовой эвтектики в среде водяного пара, кислорода и водокислородного флюида впервые выявили синергетический эффект воды и кислорода на окисление, а также немонотонную зависимость скорости окисления от температуры и состава флюида. Полученные результаты важны для обеспечения безопасной работы реакторов на быстрых нейтронах.
Графический реферат. Источник изображения: О.Н. Федяева, А.П. Гребенников
и А.А. Востриков / ИТ СО РАН
Введение в эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах со свинцовыми теплоносителями (свинцом (БРЕСТ-ОД-300) и эвтектическим свинцово-висмутовым сплавом (СВБР-100)) позволит в перспективе решить проблему накопления радиоактивных отходов, а также снять вопрос обеспеченности атомной энергетики ураном. В качестве преимуществ свинцовых теплоносителей отмечаются их высокая теплопроводность, низкая температура плавления, малое сечение захвата тепловых нейтронов, устойчивость к радиации и химическая инертность по отношению к воде и воздуху.
«В рамках выполнения государственного задания нами исследовано поведение эвтектического свинцово-висмутового сплава в водяном паре, кислороде и водокислородном флюиде при увеличении температуры до 600оС. Показано, что как в среде кислорода, так и водокислородного флюида скорость окисления сплава увеличивается при температуре выше 355оС. Добавление воды к кислороду приводит к кратному увеличению скорости окисления. При окислении сплава кислородом формируется плотный слой, состоящий из PbO. В водокислородном флюиде наблюдается смена механизмов и состава продуктов окисления сплава в зависимости от температуры и состава флюида. Обнаружено, что в интервале температуры 380–450оС процесс протекает в безактивационном кинетическом режиме с образованием пористого губчатого слоя, содержащего Pb3O4; непрореагировавший сплав обогащается висмутом. Вовлечение висмута в окисление усиливается при температуре выше 550оС, протекает в диффузионном режиме и приводит к образованию Bi2O3. Высказано предположение о том, что, как и в случае окисления расплавов свинца, молекулы воды промотируют окисление сплава, обеспечивая быстрый перенос заряда в виде протонов и электронов к активным центрам», – рассказывает руководитель работ, главный научный сотрудник лаборатории термодинамики веществ и материалов ИТ СО РАН, доктор химических наук, профессор РАН Оксана Николаевна Федяева.
«Сравнение констант скорости окисления свинцовых теплоносителей показывает, что, в отличие от свинца, свинцово-висмутовый сплав в большей степени подвержен окислению как кислородом, так и водокислородным флюидом. Кроме того, операционная температура СВБР-100 перекрывает интервал реализации кинетического режима окисления свинцово-висмутового сплава, тогда как операционная температура БРЕСТ-ОД-300 смещена в область больших значений температуры, при которых окисление свинца протекает преимущественно в диффузионном режиме. Важно подчеркнуть, что операционные условия, реализованные в нашей работе, далеки от условий штатной работы ядерных реакторов. Однако они могут возникнуть при авариях, например, в случае разгерметизации магистрали циркуляции водяного пара и/или неконтролируемой подачи водо-воздушной смеси в теплоноситель, т.е. для предотвращения возникновения опасных ситуаций, связанных с быстрым образованием оксидов в результате контакта с водой, необходим жесткий контроль уровня кислорода в расплаве теплоносителя», – отмечает Оксана Николаевна.
Статья «Окисление Pb-Bi эвтектики в водокислородном флюиде при повышенных температурах и давлениях» сотрудников Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН Оксаны Николаевны Федяевой, Александра Павловича Гребенникова и Анатолия Алексеевича Вострикова опубликована в журнале «Nuclear Engineering and Design».
Источник информации: пресс-центр ИТ СО РАН
