Исследование процесса восстановления оксида висмута водородом применительно к технологии удаления водорода из контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями

30.09.2019 2019 - №03 Химия, физика и техника теплоносителей

И.И. Иванов В.М. Шелеметьев Р.Ш. Асхадуллин

https://doi.org/10.26583/npe.2019.3.10

В рамках проекта по разработке методов удаления водорода и трития из циркуляционных контуров реакторных установок с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями была исследована кинетика восстановления оксида висмута водородом в интервале температур 425 – 500°C и концентраций водорода 25 – 100 об.%. Кинетические характеристики исследуемой реакции определяли путем непрерывного измерения концентрации водяного пара (продукта реакции) в смесях водорода и гелия, прошедших через обогреваемую реакционную емкость с образцом оксида висмута. Концентрацию водяного пара измеряли с помощью термокондуктометрического детектора. Обработку полученных зависимостей степени восстановления оксида висмута от времени (при варьировании условий реакции) проводили методом аффинного преобразования по времени. Показано, что процесс восстановления протекает в кинетическом режиме, механизм восстановления един во всем исследованном интервале температур. Лимитирующей стадией реакции является адсорбция водорода на поверхности образца оксида висмута. Зависимость степени восстановления от времени с удовлетворительной точностью определяется уравнением Ерофеева при величине показателя степени n = 1. Величина энергии активации реакции равна 92,8 ± 1,9 кДж/моль. Скорость реакции восстановления прямо пропорциональна концентрации водорода в его смеси с инертным газом.

Ссылки

1. Orlov Yu.I., Efanov A.D., Martynov P.N., Gulevsky, V.A., Papovyants A.K., Levchenko Yu.D., Ulyanov V.V. Hydrodynamic problems of heavy liquid metal coolants technology in loop-type and mono-block-type reactor installations. // Nuclear Engineering and Design. – 2007. – Vol. 237. – PP. 1829-1837.
2. Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal-hydraulics and Technologies. – Vienna: Nuclear Energy Agency, 2007. – 691 p.
3. Ricapito I., Fazio C., Benamati G. Preliminary studies on PbO reduction in liquid Pb-Bi eutectic by flowing hydrogen. // Journal of Nuclear Materials. – 2002. – Vol. 301. – PP. 60-63.
4. Niu F., Candalino R., Li N. Effect of oxygen on fouling behavior in lead–bismuth coolant systems. // Journal of Nuclear Materials. – 2007. – Vol. 366. – PP. 216-222.
5. Kondo M., Okubo N., Irisava E., Komatsu A., Ishikawa N., Tanaka T. Oxidation characteristics of lead-alloy coolants in air ingress accident. Proc. of the Vth International Symposium on Innovative Nuclear Energy Systems, INES-5 (Tokyo, Japan, October 31 –November2, 2016). – PP. 386-394.
6. Martynov P.N., Gulevich A.V., Orlov Yu.I., Gulevsky V.A. Water and hydrogen in heavy liquid metal coolant technology. // Progress in Nuclear Energy. – 2005. – Vol. 47. – PP. 604-615.
7. Иванов К.Д., Ниязов С.А.С., Чепоров Р.Ю. Селективное удаление водорода и трития из защитного газа РУ с тяжелыми теплоносителями. / Сб. трудов конф. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях (ТЖМТ-2013). – Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 2013. – С. 437-440.
8. Иванов И.И., Шелеметьев В.М., Ульянов В.В., Тепляков Ю.А. Кинетика восстановления водородом свинца из его оксидов ромбической и тетрагональной модификации. // Кинетика и катализ. – 2015. – № 3. – С. 1-5.
9. Ivanov I.I., Shelemet’ev V.M., Ulyanov V.V., Storozhenko A.N., Skobeev D.A. Studies on nickel effect on kinetics of lead reduction from its oxide by hydrogen. // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences.– 2016. – Vol. 7. – PP. 1700-1709.
10. Chernogorenko V.B., Lynchak K.A. Production of bismuth powder by the reduction of bismuth oxide with a mixture of molecular and atomic hydrogen. // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 1973. – Vol. 12. – No. 5. – PP. 360-362.
11. Beres J., Bruckman K., Haber J., Janas J. Kinetics of reduction of bismuth molybdate catalysts in hydrogen. // Bulltin de l’Academie Polonaise des Sciences, Serie des Sciences Chimiques. – 1972. – Vol. 20. – PP. 813-819.
12. Дельмон Б. Кинетика гетерогенных реакций. – М.: Мир, 1972. – 554 c.
13. Risold D., Hallstedt B., Gauckler L. J., Lukas H. L., Fries S. G. The bismuth-oxygen system.// Journal of Phase Equilibria. – 1995. – Vol. 16. – PP. 223-234.
14. Oniyama E., Wahlbeck P.G. Phase equilibria in the bismuth-oxygen system. // Journal of Physical Chemistry B. – 1988. – Vol. 102. – PP. 4418-4425.
15. Jacob K.T., Mansoor A.K. Gibbs energy of formation of bismuth (III) oxide. // Thermochimica Acta. – 2016. – Vol. 630. – PP. 90-96.
16. Wicks C.E. and Block F.E. Thermodynamic properties of 65 elements – their oxides, halides, carbides and nitrides. – Washington, U.S. Govt. Print. Off., 1963. – 240 p.
17. Барре П. Кинетика гетерогенных процессов.– М.: Мир, 1976.– 399 c.
18. Allnatt A.R., Jacobs P.W.M. Theory of nucleation in solid state reactions. // Canadian Journal of Chemistry. – 1968. – Vol. 46. – PP. 111-116.
19. Полывянный И.Р., Абланова А.Д., Батырбекова С.А., Сысоев Л.Н. Металлургия висмута. –Алма-Ата: Наука, 1973. – 193 с.
20. T. Havlik. Hydrometallurgy. Principles and applications. – Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2008. – 207 p.

тяжелые жидкометаллические теплоносители ядерная безопасность водород тритий водородная очистка ТЖМТ дожигатель водорода оксид висмута кинетика восстановления термокондуктометрический анализ метод аффинного преобразования по времени уравнение Ерофеева

Ссылка для цитирования статьи: Иванов И.И., Шелеметьев В.М., Асхадуллин Р.Ш. Исследование процесса восстановления оксида висмута водородом применительно к технологии удаления водорода из контуров с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2019. – № 3. – С. 108-119. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2019.3.10 .