Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Соотношения для расчета транспортных и термодинамических свойств эвтектики свинец-висмут

19.03.2020 2020 - №01 Химия, физика и техника теплоносителей

И.А. Чусов В.Г. Проняев Г.Е. Новиков Н.А. Обысов

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2020.1.11

УДК: 621.039.5

Представлены рекомендуемые соотношения для расчета термодинамических и транспортных свойств свинцово-висмутовой эвтектики (44,5% Pb + 55,5% Bi): плотности, коэффициента динамической вязкости, удельной теплоемкости, коэффициента теплопроводности, коэффициента поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления и местной скорости звука как функции температуры. Указанные соотношения построены на основании расчетного анализа данных, приведенных в 39-ти экспериментальных работах, выполненных в нашей стране и за рубежом и опубликованных с 1923 по 2015 гг. Авторы располагали сведениями о 1103-х экспериментальных точках, однако непосредственная оценка была выполнена по 1076-ти точкам. Основная сложность в проведении обработки данных заключалась в том, что рассмотренные в работе эксперименты были выполнены в разное время с использованием разнообразных методов измерений, неунифицированных методик статистической обработки, различной степени чистоты эвтектики и т.п. Основой методики оценки данных стал модифицированный метод наименьших квадратов, позволивший учесть погрешности принятых к рассмотрению экспериментальных данных.

В работе приводятся величины погрешностей предложенных соотношений и температурные диапазоны их применимости. Статья подготовлена по результатам работы центра данных термодинамических свойств (ЦДТС ИАТЭ НИЯУ МИФИ) ГК «Росатом».

Ссылки

  1. Тошинский Г.И., Степанов В.С., Никитин Л.Б. и др. Анализ опыта эксплуатации реакторных установок с теплоносителем свинец-висмут и имевших место аварий. / Труды конф. «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в ядерных технологиях», ТЖМТ-98. – г. Обнинск: ГНЦ РФ-ФЭИ, 1999. – Т. 1. – С. 63 - 69.
  2. Зродников А.В., Тошинский Г.И., Степанов В.С. Конверсия свинцово-висмутовой реакторной технологии: от реакторов АПЛ к энергетическим реакторам и пути повышения инвестиционной привлекательности ядерной энергетики на базе быстрых реакторов. / IAEA CN A3. Докл. на Межд. конф. МАГАТЭ «Fifty Years of Nuclear Power – the Next Fifty Years» Обнинск, 27 июня – 2 июля, 2004. Электронный ресурс: CD-ROM. www.akmeenginiring.com.
  3. Джангобегов В.В., Пиминов В.А., Мохов В.А. и др. Современные проекты ОКБ «ГИДРО-ПРЕСС». Разработка и реализация. // Приложение к научно-техническому сборнику ВАНТ. Сер. Обеспечение безопасности АЭС. – 2015. – Вып. 35. «Реакторные установки» – Подольск: АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2015. – 64 с.
  4. Кириллов П.Л. Теплофизические свойства свинца, висмута и их эвтектического сплава. / Обзор ФЭИ-0286. – М.: ЦНИИАтоминформ,1998. – 28 с.
  5. Handbook on Lead-Bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermalhydraulics and Technologies. 2015 Edition. – OECD 2015. Nuclear Energy Agency. – NEA. No. 7268.
  6. Sobolev V. Database of Thermophysical Properties of Liquid Metal Coolants for GEN-IV. Sodium, Lead, Lead-Bismuth Eutectic (and Bismuth). / Scientific Report of the Belgian Nuclear Research Centre. – SCK•CEN-BLG-1069, Nov. 2010 (rev. Dec. 2011).
  7. Чусов И.А., Обысов Н.А., Новиков Г.Е., Проняев В.Г. Расчетные соотношения для определения термодинамических свойств свинцового теплоносителя. // ВАНТ. Серия: Физика ядерных реакторов. – 2019. – Вып. 2. – C. 83-91.
  8. Bogoslovskaya G.P. et al. Comparative Assessment of Thermophysical and Thermohydraulic Characteristics of Lead, Lead-Bismuth and Sodium Coolants for Fast Reactors, IAEA TECDOC-1289. – IAEA, Vienna, 2002.
  9. Lyon R.N. Liquid Metals Handbook, second ed. – Washington, USA: US Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, 1952. – 733 p.
  10. Miller R.R., Lyon R.N. et al. Physical Properties of Liquid Metals, Liquid Metals Handbook. / R.N. Lyon (ed.), 2nd edition. Report NAVEXOS P-733. – Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, Washington, USA, 1954.
  11. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М., Новиков И.И., Федынский О.С. Жидкометаллические теплоносители. – М.: Атомиздат, 1958. – 298 с.
  12. Bonilla C.F. Heat Transfer, Chapter 2 in «Reactor Handbook», 2nd Ed., Vol. IV, Engineering. – Interscience Publishers, New York, USA, 1964. – 677 p.
  13. Алчагиров Б.Б., Куршев О.И., Мозговой А.Г. Поверхностное натяжение жидкой свинцо-вовисмутовой эвтектики при технически важных температурах. // Перспективные материалы. – 2003. – № 6. – С.50-54.
  14. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г. Плотность расплавленной свинцово-висмутовой эвтектики при высоких температурах. // Перспективные материалы. – 2004. – № 4. – С. 38-43.
  15. Алчагиров Б.Б., Шампаров Т.М., Мозговой А.Г. Экспериментальное исследование плотности расплавленной свинцово-висмутовой эвтектики. // Теплофизика высоких температур. – 2003. – Т. 41. – Вып. 2. – C. 247-253.
  16. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г. Термические свойства жидкометаллического теплоносителя для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. // Перспективные материалы. – 2005. – № 3. – С. 41-45.
  17. Khairulin R.A., Lyapunov K.M., Mozgovoi A.G., Stankus S.V., Ulyusov P.V. Crystallization and relaxation phenomena in the bismuth-lead eutectic. // Journal of Alloys and Compounds. – 2005. – Vol. 387. – PP. 183-186. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.06.045.
  18. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.В. Термические свойства жидкометаллического теплоносителя для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. // Перспективные материалы. – 2005. – № 3. – С. 41-45.
  19. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г., Рощупкин В.В., Покрасин М.А. Плотность жидкометаллического теплоносителя на основе свинцово-висмутовой эвтектики при высоких температурах. // Теплофизика высоких температур. – 2006. – Т. 44. – Вып. 2. – С. 307-310. DOI: https://doi.org/10.1007/s10740-006-0038-7.
  20. Stankus S.V., Khairulin R.A., Mozgovoy A.G., Roshchupkin V.V. and Pokrasin M.A. The density and thermal expansion of eutectic alloys of lead with bismuth and lithium in condensed state. / XIII-th International Conference on Liquid and Amorphous Metals IOP Publishing. // Journal of Physics: Conference Series. – 2008. – Vol. 98. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/98/6/062017.
  21. Holman J.P. Heat Transfer. – MacGraw-Hill, 1964, USA. – 463 p.
  22. Каплун А.Б., Шугаев В.М., Минаков С.П., Варламов Ю.Д. Вязкость эвтектического сплава свинец-висмут. / В сб.: Теплофизические свойства веществ и материалов. – Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1979. – С. 105.
  23. Plevachuk Yu., Sklyarchuk V., Eckert S., Gerbeth G. Some Physical Data of the Near Eutectic Liquid Lead-Bismuth. // J. Nucl. Mater. – 2008, – Vol. 373. – PP. 335-342. DOI: https:// doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.06.014.
  24. Kirillov P.L. Thermophysical Properties of Materials for Nuclear Engineering: A Tutorial and Collection of Data, – IAEA, Vienna, 2008. – 167 p. Электронный ресурс: https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/IAEA-THPH_web.pdf (дата доступа 10.10.2019)
  25. Filippov V.V., Yagodin D.A., Borisenko A.V., Shunyaev K.Yu. and Gelchinski B.R. Density, Viscosity, Ultrasound Velocity, and Electrical Resistivity of the Eutectic Lead-Bismuth Melt. // Russian Metallurgy (Metally). – 2016. – No. 8. – PP. 705-708. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036029516020038.
  26. Hultgren R. et al. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. – ASM, Metals Park, Ohio, USA, 1973. – 1435 p.
  27. Brown W.B. Thermal Conductivities of Some Metals in the Solid and Liquid States. // Physical Review. – 1923. – Vol. 22. – P. 171. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.22.171.
  28. Микрюков В. Е., Тяпунина Н.А. Исследование температурной зависимости теплопроводности, электропроводности и теплоемкости Bi, Pb и системы сплавов Bi-Pb. // Физика металлов и металловедение. – 1956. – № 1. – C. 31-41.
  29. Никольский Н.А., Калакуцкая Н.А., Пчелкин И.М. Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов в расплавленном состоянии. / Вопросы теплообмена: cборник статей. – М.: Изд-во АН СССР, 1959. – C. 11-45.
  30. Powell R.W., Tye R.P. Experimental determination of the thermal and electrical conductivities of molten metals / In: Proc. of the Conf. «Thermodynamic and Transport Properties of Fluids». – London: Inst. Mech. Eng, 1958. – PP. 182-187.
  31. Imbeni V. Martini C., Masini S., Palombarini G. State of the art on the chemical-physical properties of Pb and Pb-Bi. Part II. Properties of Pb and Pb-Bi, Na, in Study of a superconductive accelerator of high-powered protons and study of a subcritical system it supports for the burning of radioactive waste, Sub-theme 2: Corrosion tests, BoMet, Programme agreement. ENEA/INFN-MURST, Settore Ambiente, December 1999 (in Italian).
  32. Miller R.R. Physical Properties of Liquid Metals. In: Liquid Metal Handbook. Lyon, R.N. (2-nd Ed.), Report NAVEXOS P-733, Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, Washington, USA, June 1952 (rev. 1954).
  33. Lyon R.N. Liquid Metals Handbook, second ed. – Washington, USA: US Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, 1952. – 733 p.
  34. Покровский Н.Л., Пугачевич П.П., Голубев П.А. Исследование поверхностного натяжения растворов свинец-висмут. // Журнал физической химии. – 1969. – Т. 43. – Вып. 8. – С. 2158-2159.
  35. Казакова Н.В., Лямкин С.А., Лепинских Б.М. Плотность и поверхностное натяжение расплавов системы Pb-Bi. // Журнал физической химии. – 1984. – Т. 58. – Вып. 6. – С. 1534-1538.
  36. Novakovich R., Richch i E., Giuranno D., Gnechcho F. Surface Properties of Bi-Pb Liquid Alloys. // Surface Sci. – 2002. – Vol. 515. – PP. 377-389. DOI: https://doi.org/10.1016/S0039-6028(02)01923-4.
  37. Pastor Torres F.C. Surface Tension Measurement of Heavy Liquid Metals Related to Accelerator Driven Systems (ADS). / Diploma Thesis, FZK (IKET), KALLA, April 2003.
  38. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. – М.: Гос. изд-во тех-нико-теорет. лит., 1957. – 491 c.
  39. Стремоусов В. И., Соломин Б.А. Скорость звука в тройной жидкометаллической системе Bi-Pb-Sn // Журнал физической химии. – 1975. – Т. 49. – № 8. – C. 1972-1974.
  40. Kazys R., Voleisis A., Sliteris R. et al. Development of Ultrasonic Sensors for Operation in a Heavy Liquid Metal. // IEEE Sensors Journal. – 2006. – Vol. 6. – Iss. 5. – PP. 1134-1143. https://doi.org/10.1109/JSEN.2006.877997
  41. Hirabayashi M. et al. Development of ultrasonic flow meter for liquid lead-bismuth flow. / Proc. of the XIII-th International Conference on Nuclear Engineering, Beijing, China, May 16-20, 2005. – ICONE13-50346. Электронный ресурс: https://inis.iaea.org (дата доступа 10.10.2019).
  42. ГСССД 236-2009. Таблицы стандартных справочных данных. Скорость звука в жидком свинце, висмуте и их эвтектическом сплаве в диапазоне от температур плавления до 1300 K. – М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2009. – 32 с.
  43. Попель П.С., Ягодин Д.А., Мозговой А.Г., Покрасин М.А. Экспериментальное исследование скорости звука в расплавленном свинце, висмуте и их взаимном эвтектическом сплаве при высоких температурах. // Теплофизика высоких температур, – 2010. – T. 48. – №2. – С. 90-98. Электронный ресурс: https://gsssd-rosatom.mephi.ru/biblio-pdf/003/pdf/. DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X10020070 (дата доступа 10.10.2019).

свинцово-висмутовая эвтектика теплоемкость теплопроводность местная скорость звука регрессия плотность вязкость