Сборник тезисов докладов VIII Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2005

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Содержание сборника

Секция «Безопасность ядерных технологий»

Все доклады секции


Способы активизации взаимодействия металлической компоненты кориума с жертвенным керамическим материалом

Михайлов М.Н.

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Для локализации запроектных аварий ядерных реакторов типа ВВЭР-1000 с выходом расплавленного кориума за пределы реактора предложена [1,2] концепция устройства локализации расплава (УЛР). УЛР представляет собой теплообменник в подреакторном пространстве, в котором содержится жертвенный керамический материал (ЖКМ). Роль ЖКМ заключается в снижении энтальпии и температуры солидуса кориума. Кориум состоит из двух несмешивающихся расплавов: оксидного (смесь оксидов урана, циркония и металлического циркония) и металлического (смеси железа, циркония, хрома и т.д.). Действующим веществом жертвенного керамического материала является гематит Fe2O3. Гематит активно взаимодействует с оксидной частью кориума и расплавленным цирконием из его металлической компоненты, но медленно с расплавленным железом и хромом металлической составляющей кориума. Однако в некоторых сценариях тяжелой аварии реактора ВВЭР-1000 возможен выход расплавленной стали до появления оксидной части кориума в УЛР.

Рассматривается способы активации взаимодействия гематита с железным расплавом, для интенсификации процесса окисления расплавленного железа и снижения температуры солидуса образовавшейся смеси.

Установлено, что в момент контакта капли железа с гематитовой керамикой происходит расплавление верхних слоев материала с образованием жидкой плёнки на его поверхности. В расплаве гематит самопроизвольно восстанавливается до магнетита и вюстита. От керамики расплав  магнетита и вюстита отделен пористой прослойкой, которая заполнена продуктами термического разложения гематита и газообразным кислородом, а на границе расплавленный вюстит-железо дальнейшего окислений не происходит.

Таким образом, скорость реакции окисления железа мала по ряду причин:

·         Оксидный расплав не успевает передавать в металл кислород, и он скапливается в газообразном состоянии.

·         Образовавшаяся газовая прослойка мешает обновлению расплава зоны реакции. К тому же расплавленное железо не смачивает чистый гематит, что препятствует развитию поверхности взаимодействия.

Причина малой скорости усвоения кислорода металлическим расплавом согласно теории О.А. Есина [3] кроется в образовании двойного электрического слоя (ДЭС). На границе расплавленный металл - расплавленный ЖКМ устанавливается равновесие реакций:

Fe3+шлак+3e=Feмет

Fe2+шлак+2e=Feмет

O2-шлак-2e=Oмет.

Переход ионов железа из расплава ЖКМ в расплав железа затруднен, в результате чего на расплаве железа накапливается отрицательный заряд. Для решения этой проблемы Есин предложил вводить в оксидный расплав (шлак) оксиды переходных металлов, находящихся в ряду относительных электродных потенциалов правее железа. В качестве добавок были исследованы оксиды никеля, марганца, меди. В расплаве эти оксиды будут распадаться на  катионы металла и анионы кислорода. Катионы будут растворяться в жидком металле активнее железа, снижать заряд ДЭС и тем самым интенсифицировать процесс окисления расплавленного железа.

В эксперименте по взаимодействию расплава железа со смесью гематита и окиси никеля наблюдалась следующая картина:

·         после попадания расплава железа на поверхность образовалась реакционная зона, которая не отделена от керамики газовой прослойкой.

·         капли металла, оторвавшиеся от основной фазы, не окисляются в расплаве ЖКМ (в том случае, если в фазах контактирующих с ними нет никеля, способного снимать заряд ДЭС). При этом экспериментально установлен факт  перехода никеля из расплава ЖКМ в железо.

Также проводились эксперименты по введению в керамику закиси меди и оксида марганца. В обоих случаях наблюдается смачивание керамики металлом и высокая скорость процесса окисления железа.

В работе было установлено, что:

·         Расплав железа не смачивает керамический материал на основе Fe2O3 без активирующих добавок и поэтому активного окисления железа не происходит до 1700 С.

·         Смачивание и активное химическое взаимодействие расплава железа с ЖКМ происходит при введении в керамику более 5 % масс. оксидов 3d элементов.

·         Выдвинуто предположение, что активирование химического взаимодействия вызвано металлотермической реакцией с восстановлением 3d элемента до металла с переходом его в расплавленное железо. Этот переход снижает электрохимический барьер в ДЭС.

Литература.

1.        Gusarov V.V., et al., 2000, Proc. of Applied Research Workshop “Safety Issues of NPP with WWER”, September 12-14, St. Petersburg.

2.        Gusarov V.V., et al., 2001, Thermal Engineering Vol. 48, No. 9, p. 721.

3.        Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч.2 Взаимодействие с участием расплавов. М.: Металлургия, — 1966. — 703 с.