 |
б) изотермический – при наличии разных материалов в конструкции
|
|
|
|
Лекция 7. КМ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ в условиях воздействия агрессивной среды
Типы теплоносителей и их характеристики
Общие представления о коррозии
Коррозия в газе
Коррозия в воде и паре
Коррозия в жидком металле
Теплоносители и их характеристики
- газовые теплоносители
·низкие плотность, объёмная теплоёмкость, теплопроводность
·невелик захват тепловых нейтронов, что благоприятно для реакторов на природном уране
·теплосъём обеспечивается расходом больших объёмов газа при давлении порядка 1 МПа
·углекислый газ, гелий, водород (взрывоопасен) имеют наиболее подходящие теплофизические и ядерные свойства
| Материал | Т = 500 оС, p = 0,1 МПа | sтн, 10-24см2 | |
| Ср,кДж/(кг×К) | l, 10-2Вт/(м×К) | ||
| Воздух | 1,03 | 4,03 | 1,5 |
| H2 | 14,20 | 38,80 | 0,66 |
| He | 5,20 | 30,47 | 0,008 |
| CO2 | 1,15 | 5,49 | 0,005 |
| N | 1,12 | 5,58 | 1,78 |
| O2 | 0,97 | 4,16 | 0,0002 |
- вода
· один из лучших теплоносителей
·используется в тепловых реакторах под давлением и в кипящем состоянии (из-за низкой критической температуры (Ткр = 374,15 оС, ркр = 22,14 МПа)
·теплофизические и ядерно-физические свойства
| Материал | Т = 300 оС, p = 10 МПа | sтн, 10-24см2 | |
| Ср, кДж/(кг×К) | l, 10-2Вт/(м×К) | ||
| H2О | 5,75 | 53,4 | 0,60 |
| D2O | 5,5 | 53 | 0,0009 |
| H2О - пар | 6,3 | 6,3 | 0,008 |
· вода используется одновременно как замедлитель
·разложение воды (радиолиз) с участием реакций:
H2О ® H2О+ + е-; H2О ® H+ + OH-; H2О ® H + OH+ + е-;
H2О* ® H + OH, H2О* - возбуждённая молекула;
H2О + е- ® H + OH-; 2H2О ® H2 + H2O2 (чрезвычайно активные агенты - H+, OH+, OH-)
- органические теплоносители
· углеводороды типа дифенила, терфенила и т.д. как смесь С и Н с малыми sтн
·хорошие замедлители, слабо активируются, обладают удовлетворительными теплофизическими свойствами, имеют низкие давления насыщенных паров (малые размеры и вес ЯЭУ), низкая коррозионная активность
|
|
|
·недостатки – низкая l, высокая Тm (нужен подогрев перед пуском), радиолиз и пиролиз
- жидкометаллические теплоносители
·высокие термическая устойчивость, температура кипения, низкие давления насыщенных паров (высокие рабочие температуры)
·большое sтн (нельзя использовать в тепловых реакторах)
·низкая объёмная теплоёмкость, химическая активность в отношение КМ, газов
·наиболее перспективны Na, K и их сплав
Общие представления о коррозии
- Коррозия как процесс разрушения химическим, физико-химическим (электрохимическим) путём в разных теплоносителях
·в газе – образование оксидов, нитридов, гидридов и т.д.
·в воде и паре –электрохимическая при низких температурах (атмосферная коррозия), при высоких добавляется химическая
·в органике – химическая (с продуктами разложения углеводородов)
·в жидких металлах – равномерное или избирательное растворение компонентов КМ
- Коррозия оболочки твэла изнутри
·наличие ГПД (цезий, теллур, иод) и влаги приводит к химическому взаимодействию оболочки с топливом (фронтальная и межкристаллитная коррозия)
·они зависят от
А) условий (выгорание топлива, тепловая нагрузка, градиент температур)
Б) характеристик топлива (состав, отношения О/Ме, хим. потенциала О, плотности топлива)
В) параметры оболочки (хим. состав, обработка, напряжения и др.)
- Разновидности коррозии
·газовая, электролитная, неэлектролитная, атмосферная, контактная и др.
·общая (сплошная), местная, равномерная, неравномерная, язвенная, точечная, транскристаллитная, межкристаллитная
- Коррозионная стойкость при равномерной коррозии
| ГРУППА | СКОРОСТЬ, мм/год | БАЛЛ |
| Совершенно стойкие | Менее 0,001 | |
| Весьма стойкие | 0,001-0,005 | |
| 0,005-0,01 | ||
| Стойкие | 0,01-0,05 | |
| 0,05-0,1 | ||
| Пониженно-стойкие | 0,1-0,5 | |
| 0,5-1,0 | ||
| Малостойкие | 1,0-5,0 | |
| 5-10 | ||
| Нестойкие | Свыше 10 |
Коррозия в газе
|
|
|
- Физические и химические предшествующие процессы
·адсорбция
·диффузия
·абсорбция
·трансмутация
·газовые примеси
·проницаемость газов в металле
- Образование и эволюция окисной плёнки
·образование монослоя (хемосорбция кислорода), образование и рост тонкой плёнки (перемещение О через плёнку), утолщение (диффузия ионов и электронов в плёнке), трещинообразование и отслаивание
·отношение молярных объёмов VMeOn/ VMe как характеристика защитной функции плёнки
·при VMeOn/ VMe больше 1 в плёнке возникают напряжения, происходит её растрескивание и отслаивание
- Температура и большие скорости потока газа увеличивают коррозию
- Кислород
·наиболее активен по отношению всех металлов
·давление диссоциации оксидов мало вплоть до 1000оС, что способствует окислению
·температура хотя и увеличивает это давление всё жё в целом ускоряет коррозию
·растворимость О мала и плёнка обычно защищает металл
·оксиды с ионной решёткой (в узлах катионы Ме+ и анионы О-), диффузия по вакансиям и междоузлиям, но ограничена
·отступления от стехиометрии и разные типы полупроводимисти (более сильная проводимость, чем ионная):
a) недостаток Ме – р-типа (NiO, FeO,WO2, Cr2O3)
b) избыток – n-типа (MgO, Al2O3, TiO2, ZrO2, Fe2O3)
c) изменение состава в широких пределах – амфотерного типа (VO, TiO,MoO2)
·у многовалентных Ме несколько оксидов, многослойные плёнки (снаружи с максимаотным содержанием О)
- Пути повышения жаростойкости
·большинство металлов (кроме благородных и хрома) малоустойчивы против окисления и их легируют или покрывают
·легирующий элемент входит в состав плёнки и стабилизирует её (уменьшение диффузии, увеличение пластичности, сближение коэффициентов термического расширения, снижение дефектности строения оксида, регулирование эквивалентной валентности)
Коррозия в воде и паре
- Электрохимический характер коррозии
· ток в металле и воде, вода – электролит
·притяжение поляризованной молекулы воды ионами Ме+ или Ме- (гидратация)
·если работа гидратации больше работы выхода иона Ме+, ион уходит в воду, в металле отрицательный заряд, создаётся двойной электрослой
|
|
|
·чем меньше и отрицательнее стандартный (по отношению Н –электроду) электродный потенциал EHo металла, тем меньше его коррозионная стойкость:
Mg - -2,380 B Al - -1,663 B Ti - -1,630 B V,Zr - -1,500 B Nb - -1,100 B Cr - -0,710 B Fe - -0,440 B Ni - -0,230 B Mo - -0,200 B Cu - +0,520 B
- Степени термодинамической стабильности
·повышенная нестабильность (коррозия в нейтральной воде) при EHo = -3,045 B (Li) - -0,44 B (двухвалентное Fe)
·нестабильные (устойчивы в бескислородной нейтральной воде) при EHo = -0,402 B (Cd) - -0,037 B (трёхвалентное Fe)
·промежуточная стабильность при EHo = +0,007 B (Sn) - +0,80 B (Rn)
· металлы высокой стабильности (благородные) при EHo = +0,854 B (Hg) - +1,19 B (Pt)
· металлы полной стабильности – золото трёх-валентное EHo = +1,5 B и одновалентное EHo = +1,68 B
- Факторы влияния на электродные процессы
·состав, скорость, давление и температура среды
·облучение
·состав и структура материала, наличие напряжений
- Повышение коррозионной стойкости
· повышение стойкости основы
· повышение стойкости легированием элементами с положительным EHo
·использование гомогенных твёрдых раствором без частиц второй фазы
Коррозия в жидком металле
- изменение состава и структуры приповерхностного слоя
·растворение в жидком металле
·диффузия в твёрдом материале
·проникновение жидкого материала в твёрдый
- растворение
·движущая сила – разность свободной энергии атома в двух средах
·предельная растворимость Со растёт с температурой
· скорость
dC/dt = (CoaS/V)exp(-aSt/V)
(a – коэффициент, S – площадь контакта, V – объём жидкости)
·неравномерности из-за наличия границ зёрен (межкристаллитная коррозия), дефектов, сегрегаций, неодинаковой растворимости компонент сплава (причина фазовых превращений)
·перенос масс
а) термический – при наличии градиента Т в твёрдом материале (растворённый металл в более нагретом месте затем оседает в менее нагретом – сказывается разница в Co
б) изотермический – при наличии разных материалов в конструкции
- диффузия в твёрдом материале
·образование неметаллических фаз в твёрдом материале при поглощении примесей из жидкости (гидрирование циркониевых сплавов в БОР-60)
|
|
|
·растворение неметаллических примесей (обезуглероживание стали с возможным изменением формы)
- ослабление коррозии легированием (усиление связей, образование прочных карбидов)
|
|
|
