Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

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

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

УДК: 621.039.58

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