Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Расчетные соотношения для определения термодинамических и транспортных свойств литиевого теплоносите

14.12.2022 2022 - №04 Теплофизика и теплогидравлика

И.А. Чусов Ю.А. Бабаева Г.Е. Новиков

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2022.4.03

УДК: 621.039.5

Представлены результаты анализа экспериментальных данных, приведенных в открытых публикациях за период с 1950-го по 2020-й гг. Предложены расчетные соотношения для оценки основных свойств литиевого теплоносителя: плотности, коэффициента динамической вязкости, удельной теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и поверхностного натяжения; удельного электрического сопротивления и скорости звука. Указаны величины погрешностей предложенных соотношений и температурные диапазоны их применимости. В анализе использованы экспериментальные результаты, опубликованные в 81-й работе.

Ссылки

  1. Быстров П.И., Каган Д.Н., Кречетова Г.А., Шпильрайн Э.Э. Жидкометаллические теплоносители тепловых труб и энергетических установок. – М.: Наука, 1988. – 263 с.
  2. Люблинский И.Е., Евтихин В.А., Вертков А.В. Применение жидкого лития в системах энергетического термоядерного реактора. // Перспективные материалы. – 2005. – № 6. – С. 5-17.
  3. Nygren R.E., Rognlien T.D., Rensink M.E. et al. A fusion reactor design with a liquid first wall and divertor. // Fus. Eng. Des. 2004. – Vol. 72. – PP. 181-221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2004.07.007 .
  4. Субботин В.И., Ивановский М.Н., Арнольдов М.Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. – М.: Атомиздат, 1970. – 296 с.
  5. Грязнов Г.М., Евтихин В.А., Люблинский И.Е. и др. Материаловедение жидкометаллических систем термоядерных реакторов. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 240 с.
  6. Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н., Мосин А.А., Тарбов А.А. Литий. – М.: ИздАТ, 1999. – 262 с.
  7. Ивановский М.Н., Сорокин В.П., Ягодкин И.В. Физические основы тепловых труб. – М.: Атомиздат, 1978. – 256 с.
  8. Чусов И.А., Новиков Г.Е., Обысов Н.А., Проняев В.Г. Расчетные соотношения для определения термодинамических свойств свинцового теплоносителя. // ВАНТ. Серия «Физика ядерных реакторов». – 2019. – Вып. 2. – С.83-91.
  9. Madsen K., Nielsen H.B., Tingleff O. Methods for Non-Linear Least Squares Problems. – Technical University of Denmark. 2nd Edition. – April, 2004. – 30 p.
  10. Худсон Д. Статистика для физиков. Пер. с англ. – М.: Мир, 1979. – 293 с.
  11. Vandevender W.H. and Haskell K.H. The SLATEC Mathematical Subroutine Library. // Signum Newsletter. – 1982. – Vol. 17. – No. 3. – PP. 16-21. DOI: https://doi.org/10.1145/1057594.1057595 .
  12. Справочник по теплогидравлическим расчетам в ядерной энергетике. Т. 3 (под ред. П.Л. Кириллова). – М.: Издат, 2014. – 686 с.
  13. Справочник по свойствам материалов для перспективных реакторных технологий. Т. 1 (под ред. В.М. Поплавского).– М.: Издат, 2011. – 392с.
  14. Been S.A., Edwards H.S., Teeter C.E. and Calkins V.P. The Densities of Liquids at Elevated Temperatures. I. The Densities of Lead, Bismuth, Lead-Bismuth Eutectic and Lithium in the Range from Melting Point to 1000°C (1832 F). NEPA Report 1585. – Oak Ridge, TN: Fairchild Engine and Airplane Corp. 1950, Sept. 7. – 26 p.
  15. Miller R.R. Physical Properties of Liquid Metals. In: Liquid Metals Handbook, Lyon, R.N. (Ed.), 2nd Ed., Report NAVEXOS P-733. – Atomic Energy Commission and Dept. of the Navy, Washington, USA, 1954. – 257 p.
  16. Wilson J.R. The Structure of Liquid Metals and Alloys. // J. Met. Rev.– 1965.– Vol. 10. – PP. 381-590. Электронный ресурс: http://www.gotrawama.eu/Fonderia/ StructureLiquidMetalsAlloysWilson.pdf (дата доступа 22.07.2022).
  17. Andrade E.N. da C. and Dobbs E.R. The Viscosities of Liquid Lithium, Rubidium and Caesium. // Proc. Roy. Soc., Ser. A. – Feb. 7, 1952. – Vol. 211. – No. 1104. – PP. 12-30. DOI: https://doi.org/10.1098/rspa.1952.0022 .
  18. Никольский Н.А., Калакуцкая Н.А., Пчелкин И.М., Классен Т.В., Вельтищева В.А. Теплофизические свойства расплавленных металлов. // Теплоэнергетика. – 1959. – № 2. – С. 92-95.
  19. Шпильрайн Э.Э., Солдатенко Ю.А., Якимович К.А. и др. Экспериментальное исследование теплофизических и электрофизических свойств жидких щелочных металлов при высоких температурах. // ТВТ. – 1965. – Т. 3. – Вып. 6. – С. 930-933.
  20. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А. Плотность жидких лития, рубидия и цезия при высоких температурах. // ТВТ. – 1967. – Т. 5. – Вып. 2. – С. 239-245.
  21. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд. – М.: Наука, 1972. – 720 с.
  22. Tepper F., Zelenak J., Roehlich F. and May V. Thermophysical and Transport Properties of Liquid Metals. Report AFML TR-65-99. – Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, USA: Air Force Materials Lab., 1965. – 112 p.
  23. Гришин В.К., Глазунов М.Г., Аракелов А.Г. и др. Свойства лития. – М.: Металлургиздат. 1963. – 116 с.
  24. Гольцова Е.И. Плотность лития, натрия и калия до 1500 – 1600 C. // ТВТ. –1966. – Т. 4. – Вып. 3. – C. 360-363.
  25. Christensen N.E., Fenrbacher B. Volume and Surface Photoemission from Tungsten. Calsulution of Band Structure and Emission Spectra. // Phys. Rev. B. – 1974. – V. 10. – No. 6. – PP. 2349-2361. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.10.2349 .
  26. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Мозговой А.Г., Цицаркин А.Ф. Экспериментальное исследование плотности жидкого лития при высоких температурах. // ТВТ. – 1984. – Т. 22. – Вып. 4. – C. 802-803.
  27. Станкус С.В., Хайруллин Р.А. Плотность природного лития в конденсированном состоянии. // ТВТ. – 1999. – Т. 377. – Вып. 2. – С. 216-219.
  28. Якимович К.А., Мозговой А.Г. Экспериментальное исследование плотности и поверхностного натяжения расплавленного лития при температурах до 1300 K. // ТВТ. – 2000. – Т. 38. – Вып. 4. – C. 680-682.
  29. Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии. – М.: Мир, 1982. – Т. 1. – 652 с.
  30. Мозговой А.Г., Новиков И.И., Покрасин М.А., Рощупкин В.В., Теряев В.В. Давление насыщенных паров щелочных металлов. // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – 1985. – № 1 (51). – С. 3-108.
  31. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г. Термические свойства перспективных тритийвоспроизводящих материалов и теплоносителей жидкометаллического бланкета термоядерного реактора. Литий. // Перспективные материалы. – 2006. – № 1. - C. 48-51.
  32. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г. Экспериментальное исследование плотности и термического расширения перспективных материалов и теплоносителей жидкометаллических систем термоядерного реактора. Литий. // ТВТ. – 2011. – Т. 49. – Вып. 2. – С. 196-200.
  33. Ядерные реакторы. II. Техника ядерных реакторов. / Материалы Комиссии по атомной энергии США. Пер. с англ. – М.:ИЛ, 1957. – 782 с.
  34. Miller R.R. Physical Properties of Liquid Metals. Liquid Metals Handbook. R.N. Lyon (Ed.), 2nd ed. Report NAVEXOSP-733. – Atomic Energy Commission and Dept. Of the Navy, Washington, USA, June 1952 (rev. 1954). – 56 p.
  35. Соловьев А.Н. Вязкость расплавленных щелочных металлов (Na, K, Li). Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Москва. МИФИ. 1954. – 25 с.
  36. Новиков И.И., Соловьев А.Н., Хабахпашева Е.М., Груздев В.А., Приданцев А.И., Васенина М.Я. Теплоотдача и теплофизические свойства расплавленных щелочных металлов. // Атомная энергия. – 1956. – Т. 1. – Вып. 4. – С. 92-106.
  37. Фомин В.А. Вязкость жидких щелочных металлов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. – Москва. МИФИ. 1966. – 20 с.
  38. Калакуцкая Н.А. Вязкость жидких щелочных металлов калия, натрия и лития при высоких температурах (до 1500°C). // ТВТ. – 1968. – Т. 6. – Вып. 3. – С. 455-460.
  39. Ban N.T., Randall C.M. and Montgomery D.J. Effect of Isotopic Mass on Viscosity of Molten Lithium. // Phys. Rev. – 1962. – Vol. 128. – No. 1. – PP. 6-11. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.128.6.
  40. Rigney D.V., Kapelner S.M. and Cleary R.E. The Viscosity of Lithium. Pratt & Whitney Aircraft-CANEL Report TIM-849. 1965.– 37 p.
  41. Achener P.Y. Viscosity of Liquid Sodium and Lithium. AGN-8181 Vol. 5. Aerojet-General Nucleonics Report. 1965.– 46 p.
  42. Achener P.Y. and Fisher D.L. Viscosity of Liquid Sodium and Lithium. Vol. 5 of Alkali Metals Evaluation Program. Rep. AGN-8191. Vol. 5. Aerojet-General Corp. May 1967. – 53 p.
  43. Ito Y., Minami K., Nagashima A. Viscosity of Liquid Lithium by an Oscillating-Cup Viscometer in the Temperature Range 464 – 923 K. // International Journal of Thermophysics. – 1989. – Vol. 10. – No. 1. – PP. 173-182. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00500717 .
  44. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е., Тимрот Д.П., Фомин В.А. Теплофизические свойства щелочных металлов. – М.: Наука, 1970. – 487 c.
  45. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Сковородько С.Н., Мозговой А.Г. Плотность и тепловое расширение жидких щелочных металлов. // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – 1983. – № 6 (44). – С. 1-92.
  46. Shpilrain E.E., Yakimovich K.A., MozgovoiA.G. In: Handbook of Thermodynamic and Transport Properties of Alkali Metals. Ed. Ohse R. – Oxford, UK: BlackwellSci.Publ. 1985. – PP. 435-469.
  47. Кириллов П.Л., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей (справочные таблицы и соотношения). ФЭИ-0291. – М.: ЦНИИатоминформ, 2000. – 41 с.
  48. Справочник по редким металлам. / Под ред. Плющева В.М. – М.: Мир, 1965. – С. 343-383.
  49. Lando, P.E. and Sittig M. Lithium. In: Rare Metals Handbook, 2nd ed. – New York: Reinhold, 1961. – PP. 239-252.
  50. Metals Reference Book. 5th Edition. / Ed.: Colin J. Smithells. – Butterworth-Heinemann, 1976. – 1582 p. ISBN: 9781483192529.
  51. Douglas T.B., Dever J.L., Epstein L.F. and Howland W.H. The Heat Capacity of Lithium from 250 to 900°C. The Heat of Fusion and the Triple Point. Thermodynamic Properties of the Solid and Liquid. / Rep. 2879. – National Bureau of Standards, Oct. 16, 1953. – 74 p.
  52. Руднев И.И., Ляшенко В.С., Абрамович М.Д. Температуропроводность натрия и лития. // Атомная энергия. – 1961. – Т. 11. – Вып. 3. – С. 230-232. Электронный ресурс: http://elib.biblioatom.ru/text/atomnaya-energiya_t11-3_1961/go,22/ (дата доступа 22.07.2022).
  53. Соловьев А.Н. Термодинамическое подобие и вязкость расплавленных металлов. // Атомная энергия. – 1957. – Т. 3. – Вып. 12. – С. 550-552. Электронный ресурс: https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/256/249 (дата доступа 22.07.2022).
  54. Redmond R.F., Lones J. Entalpies and Heat Capacities of Stainless Steel (316), Zirconium, Lithium at Elevated Temperature. – Reactor Experimental Engineering Division. ORNL-1342, 1952. – 24 p.
  55. Cabbage, A.M. Enthalpy, Mean Heat Capacity, and Absolute Heat Capacity of Solid and Liquid Lithium. / Rep. NEPA-1370. – Fairchild Engine and Airplane Corp. (AECD-3240), Mar. 31, 1950. – 132 p.
  56. Bates A.G. and Smith D.J. Specific Heat and Enthalpy of Liquid Lithium in the Range of 500°C to 1000°C. – Massachusetts Inst. Tech. (AEC Rep. K-729), Mar. 28, 1951. – 31 p.
  57. Yaggee F.L., Untermyer S. The Relative Thermal Conductivities of Liquid Lithium, Sodium, and Eutectic NaK, and the Specific Heat of Liquid Lithium. – ANL-4458, 1950. – 27 p.
  58. Webber H.A., Goldstein D., Fellinger R.C. Determination of the Thermal Conductivity of Molten Lithium. // Tran. ASME. – 1955. – Vol. 77. – PP. 97-101. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4014245 .
  59. Cooke J.W. Experimenta1 Determination of the Thermal Conductivity of Liquid Lithium of Molten Lithium from 320 to 830°C. // J. Chem. Phys. – 1964. – Vol. 40. – Iss. 7. – P. 1902. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1725421 .
  60. Новиков И.И., Груздев В.А., Краев О.А., Одинцов А.А., Рощупкин В.В. Экспериментальное исследование теплофизических свойств жидких щелочных металлов при высоких температурах. // ТВТ. – 1969. – Т. 7. – Вып. 1. – С. 71-74.
  61. Шпильрайн Э.Э., Крайнова И.Ф. Экспериментальное определение теплопроводности жидкого лития. // ТВТ. – 1970. – Т. 8. – Вып. 5. – С. 1103-1106.
  62. Agazhanov A., Abdullaev R.N., Samoshkin D.A. & Stankus S.V. Thermal Conductivity of Lithium, Sodium and Potassium in the Liquid State. // Physics and Chemistry of Liquids. – 2020. – Vol. 58. – No. 6. – PP. 760-768. DOI: https://doi.org/10.1080/00319104.2019.1636377 .
  63. Taylor J.W. The Surface Energies of the Alkali Metals. // Phys. Mag. – 1955. – Vol. 46. – PP. 867-876. DOI: https://doi.org/10.1080/14786440808561239 .
  64. Hoffman H.W. and Keyes J.J. Jr. Studies in Heat Transfer and Fluid Mechanics Progress. / Report QRNL/TM-1148, August 1965. – 38 p.
  65. Achener P.Y. Surface Tension and Contact Angle of Lithium and Sodium. / Report AGN-8191. Vol. 3. – San Ramon, California. USA: Aerojet-General Corporation, 1969. – 55 p.
  66. Bohdansky J., Schins H.J. The Surface Tension of the Alkali Metals. // J. Inorg. Nucl. Chem. – 1967. – Vol. 29. – No. 9. – P. 2173. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-1902(67)80271-9.
  67. Cooke J.W. Thermophysical Property Measurements of Alkali Liquid Metals. / Report ORNL-3605, Vol. 1. – 1964. – PP. 66-87.
  68. Соловьев А.Н., Макарова О.П. Экспериментальное исследование поверхностного натяжения расплавленных щелочных металлов. / Труды Всесоюзной конференции «Теплофизические свойства жидкостей и газов при высоких температурах». Т. 2. – М.: Изд-во стандартов, 1969. – С. 112.
  69. Соловьев А.Н., Макарова О.П., Кирияненко А.А. Экспериментальное исследование поверхностного натяжения расплавленных щелочных металлов. / В сб. «Исследование теплофизических свойств веществ». – Новосибирск: Наука, 1967. – C. 29.
  70. Тимрот Д.Л., Реутов Б.Ф., Архипов А.П., Еремин Н.М. Экспериментальное исследование поверхностного натяжения лития. // ТВТ. – 1990. – Т. 28. – Вып. 3. – С. 601.
  71. Шебзухов А.А., Осико Т.П., Кожокова Ф.М., Мозговой А.Г. Поверхностное натяжение жидких щелочных металлов и их сплавов. // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – 1981. – № 5. – C. 1-141.
  72. Алчагиров Б.Б., Лазарев В.Б., Хоконов Х.Б. Работа выхода электронов щелочных металлов и сплавов с их участием. // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – 1989. – № 5. – С. 76-147.
  73. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. – М.: Металлургия, 1957. – 491 с.
  74. Freedman J.F. and Robertson W.D. Electrical Resistivity of Liquid Sodium, Liquid Lithium and Dilute Liquid Sodium Solutions. // J. Chem. Phys. – 1961. – Vol. 34 (3). – PP. 769-780. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1731673 .
  75. Kapelner S.M. Samuel M. The Electrical Resistivity of Lithium and Sodium-Potassium Alloy. / Pratt & Whitney Aircraft Div. – United Aircraft Corp., Middeltown, 1961, 33 p.
  76. Вельтищев Н.А. Отчет ЭНИН. – 1962. – № 32. – 56 c.
  77. Соловьев А.Н. Экспериментальное определение электропроводности жидких натриякалия и лития. // ПМТФ. – 1963. – № 1. – C. 158-160.
  78. Семячкин Б.Е., Соловьев А.Н. Экспериментальное определение электрического сопротивления жидких щелочных металлов до 1000°С. // ПМТФ. – 1964. – № 2. – C. 176.
  79. Roehlich F. and Tepper F. Electrical and Thermal Conductance of Alkali Metals at Elevated Temperatures. // Electrochemical Technology. – 1965. – Vol. 3. – No. 9. – PP. 234-239.
  80. Rigney D.V., Kapelner S.M., Cleary R.E. The Electrical Resistivity of Lithium and Columbium-1 wt% Zirconium Alloy to 1430°C. / USAEC Report TIM-849. Pratt-Whitney Aircraft-Canal. – Division of United Aircraft Corp. September 1965. – 98 p.
  81. Faber T.E. The Resistivity of Dilute Solutions of Magnesium in Lithium in the Liquid and Solid States. // The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. – 1967. – Vol. 15. – Ser. 8. – PP. 1-8. DOI: https://doi.org/10.1080/14786436708230346 .
  82. Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н., Субботин В.И., Шматко Б.А. Влияние диссоциирующих и термически прочных газовых примесей на электросопротивление щелочных металлов. // ТВТ. – 1967. – Т. 5. – Вып. 5. – С. 812-816.
  83. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник. – М.: Атомиздат. 1968. – 484 с.
  84. Шпильрайн Э.Э., Савченко В.А. Экспериментальное исследование электропроводности лития и цезия в конденсированной фазе при температурах до 1200 K. // ТВТ. – 1968. – Т. 6. – Вып. 2. – C. 254-260.
  85. Ioannides P., Nguyen V.T., Enderby J.E. Measurement of the Absolute Thermoelectric Power of Liquid Conductors Enclosed in Metallic Tubes. // Journal of Physics E: Scientific Instruments. – 1975. – Vol. 8. – No. 4. – PP. 315-316. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3735/8/4/023 .
  86. Creffield G.K., Down M.G. and Pulham R.J. Electrical Resistivity of Liquid and Solid Lithium. // Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. – 1974. – Iss. 21. – PP. 2325-2329. DOI: https://doi.org/10.1039/dt9740002325 .
  87. Guntherodt H.J., Kunzi H.U., Muller U. and Evans R. Hall Coefficient and Electrical Resistivity of Liquid Lithium. // Physics Letters. – 1975. – Vol. 54A. – No. 2. – PP. 155-156. DOI: https://doi.org/10.1016/0375-9601(75)90846-4 .
  88. Новиков И.И., Трелин Ю.С., Цыганова Т.А. Экспериментальные данные по скорости звука в литии до 1100 K. // ТВТ. – 1969. – Т. 7. – Вып. 6. – С. 1220-1221.
  89. Новиков И.И., Рощупкин В.В., Трелин Ю.С., Цыганова Т.А., Мозговой А.Г. Скорость звука в жидких щелочных металлах. // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – 1981. – № 6 (32). – С. 65-99.
  90. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справочник. –М.: Металлургия, 1989. – 382 с.

литий теплоноситель плотность теплоемкость теплопроводность динамическая вязкость поверхностное натяжение электрическое сопротивление скорость звука термодинамические свойства транспортные свойства

Ссылка для цитирования статьи: Чусов И.А., Бабаева Ю.А., Новиков Г.Е. Расчетные соотношения для определения термодинамических и транспортных свойств литиевого теплоносите. // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2022. – № 4. – С. 28-45. DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2022.4.03 .

Открыть PDF файл