В ходе изучения поведения расплава свинцово-висмутовой эвтектики в условиях воздействия водяного пара, кислорода и водокислородной смеси, ученые лаборатории термодинамики веществ и материалов Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН впервые зафиксировали взаимоусиливающий эффект воды и кислорода при окислении, а также установили, что скорость окисления меняется нелинейно в зависимости от температуры и состава газовой среды. Эти данные имеют значение для обеспечения безопасности эксплуатации реакторов на быстрых нейтронах.
Ввод в эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах, использующих свинец в качестве теплоносителя (свинец ( БРЕСТ-ОД-300) и эвтектическим свинцово-висмутовым сплавом (СВБР-100)) это, вероятно, позволит в будущем разрешить вопрос хранения радиоактивных отходов и обеспечить атомную энергетику запасами урана. Среди достоинств свинцовых теплоносителей следует выделить их высокую теплопроводность, низкую температуру плавления, незначительное сечение захвата тепловых нейтронов, устойчивость к воздействию радиации, а также химическую инертность в отношении воды и воздуха.
«В ходе реализации государственного задания был проведен анализ поведения эвтектического сплава свинца и висмута в водяном паре, кислороде и водокислородной среде при повышении температуры до 600 градусов оС. Установлено, что и при наличии кислорода, и при использовании водокислородного флюида, скорость окисления сплава возрастает при температуре, превышающей 355 градусов оС. Добавление воды к кислороду значительно ускоряет процесс окисления. При окислении сплава кислородом образуется плотный слой, состоящий из оксида свинца (PbO). В водно-кислородной среде наблюдается изменение механизмов и состава продуктов окисления сплава в зависимости от температуры и состава этой среды. Установлено, что в диапазоне температур 380–450 оПроцесс развивается в условиях, определяемых кинетикой без активации, что приводит к формированию пористой, губчатой структуры, включающей свинец 3O4; непрореагировавший сплав обогащается висмутом. Ускорение включения висмута в процесс окисления происходит при температуре, превышающей 550 градусов оПроцесс С протекает в диффузионном режиме, что приводит к образованию Bi 2O3. Высказано предположение о том, что, как и в случае окисления расплавов свинца, молекулы воды способствуют окислению сплава, обеспечивая ускоренную передачу заряда в виде протонов и электронов к активным центрам», – отмечает руководитель исследования, главный научный сотрудник лаборатории термодинамики веществ и материалов ИТ СО РАН, доктор химических наук, профессор РАН Оксана Николаевна Федяева.
«Анализ скоростей окисления свинцовых теплоносителей демонстрирует, что, в отличие от чистого свинца, свинцово-висмутовый сплав в большей степени подвержен окислению как кислородом, так и водокислородным флюидом. Также стоит отметить, что рабочая температура СВБР-100 выходит за рамки температурного диапазона, необходимого для проявления кинетического режима окисления свинцово-висмутового сплава, тогда как рабочая температура БРЕСТ-ОД-300 находится в области высоких температур, где окисление свинца преимущественно протекает в диффузионном режиме. При этом важно указать, что созданные в ходе исследования условия значительно отличаются от условий нормальной эксплуатации ядерных реакторов. Тем не менее, такие условия могут возникать при аварийных ситуациях, например, при разгерметизации трубопровода циркуляции водяного пара и/или при неконтролируемой подаче водо-воздушной смеси в теплоноситель. Поэтому для предотвращения опасных ситуаций, связанных с быстрым образованием оксидов вследствие контакта с водой, необходим строгий контроль уровня кислорода в расплаве теплоносителя, – подчеркивает Оксана Николаевна.
Статья «Изучение окисления сплава Pb-Bi эвтектического состава в среде кислорода и водяного пара при высоких температурах и давлениях » в журнале «Nuclear Engineering and Design» появилась публикация, подготовленная сотрудниками Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН: Оксаной Николаевной Федяевой, Александром Павловичем Гребенниковым и Анатолием Алексеевичем Востриковым».