Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов
В широком температурном интервале проведены исследования температурной зависимости вязкости, электропроводности и термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) расплавов систем NaF–LiF–LaF₃ и NaF–LiF– NdF₃, которые могут служить компонентами бланкета жидкосолевых реакторов. Установлено, что вязкость расплаво...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля |
|---|---|
| Datum: | 2014 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
2014
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113357 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов / Л.А. Булавин, А.А. Омельчук, Н.В. Файдюк, Ю.А. Плевачук, В.М. Склярчук, Р. Н. Савчук // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2014. — Вип. 22. — С. 63–69. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-113357 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Булавин, Л.А. Омельчук, А.А. Файдюк, Н.В. Плевачук, Ю.А. Склярчук, В.М. Савчук, Р.Н. 2017-02-07T16:33:40Z 2017-02-07T16:33:40Z 2014 Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов / Л.А. Булавин, А.А. Омельчук, Н.В. Файдюк, Ю.А. Плевачук, В.М. Склярчук, Р. Н. Савчук // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2014. — Вип. 22. — С. 63–69. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1813-3584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113357 539.1, 621.039.5, 537.57 В широком температурном интервале проведены исследования температурной зависимости вязкости, электропроводности и термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) расплавов систем NaF–LiF–LaF₃ и NaF–LiF– NdF₃, которые могут служить компонентами бланкета жидкосолевых реакторов. Установлено, что вязкость расплавов существенно зависит от химического состава и при переходе от эвтектической концентрации к перитектической изменяется в 1,5 – 2 раза. Этот же переход существенно изменяет температурную зависимость термоЭДС. Вместе с тем температурные зависимости электропроводности как для образцов с лантаном, так и для образцов с неодимом практически не меняются. У широкому температурному інтервалі проведено дослідження температурної залежності в'язкості, електропровідності та термоелектрорушійної сили (термоЕРС) розплавів систем NaF–LiF–LaF₃ і NaF–LiF–NdF₃, які можуть служити компонентами бланкета рідинносольових реакторів. Установлено, що в'язкість розплавів істотно залежить від хімічного складу і при переході від евтектичної концентрації до перитектичної змінюється в 1,5 –2 рази. Цей же перехід суттєво змінює температурну залежність термоЕРС. Разом з тим температурні залежності електропровідності як для зразків з лантаном, так і для зразків з неодимом практично не змінюються. Electrical conductivity, thermoelectric power and viscosity measurements were carried out in the wide temperature range for the liquid alloys NaF–LiF–LaF₃ and NaF–LiF–NdF₃, which can serve as blanket components for the molten salt reactors. The electrical conductivity and the thermoelectric power were measured by a contact method in accordance with the 4-point scheme. The dynamic viscosity was measured by oscillating-cup method. It was found that the melt viscosity significantly depends on the chemical composition and varies 1,5 – 2 times during transition from the eutectic concentration to the peritectic one. The same shift significantly alters the temperature dependence of the thermoelectric power. However, the temperature dependence of the electrical conductivity of the samples with lanthanum and neodymium remain practically unchanged. ru Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля Проблеми безпеки атомних електростанцій Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов Фізичні властивості компонентів бланкета для рідинносольових реакторів Physical properties of blanket components for molten salt reactor Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| spellingShingle |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов Булавин, Л.А. Омельчук, А.А. Файдюк, Н.В. Плевачук, Ю.А. Склярчук, В.М. Савчук, Р.Н. Проблеми безпеки атомних електростанцій |
| title_short |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| title_full |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| title_fullStr |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| title_full_unstemmed |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| title_sort |
физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов |
| author |
Булавин, Л.А. Омельчук, А.А. Файдюк, Н.В. Плевачук, Ю.А. Склярчук, В.М. Савчук, Р.Н. |
| author_facet |
Булавин, Л.А. Омельчук, А.А. Файдюк, Н.В. Плевачук, Ю.А. Склярчук, В.М. Савчук, Р.Н. |
| topic |
Проблеми безпеки атомних електростанцій |
| topic_facet |
Проблеми безпеки атомних електростанцій |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля |
| publisher |
Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Фізичні властивості компонентів бланкета для рідинносольових реакторів Physical properties of blanket components for molten salt reactor |
| description |
В широком температурном интервале проведены исследования температурной зависимости вязкости, электропроводности и термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) расплавов систем NaF–LiF–LaF₃ и NaF–LiF– NdF₃, которые могут служить компонентами бланкета жидкосолевых реакторов. Установлено, что вязкость расплавов существенно зависит от химического состава и при переходе от эвтектической концентрации к перитектической изменяется в 1,5 – 2 раза. Этот же переход существенно изменяет температурную зависимость термоЭДС. Вместе с тем температурные зависимости электропроводности как для образцов с лантаном, так и для образцов с неодимом практически не меняются.
У широкому температурному інтервалі проведено дослідження температурної залежності в'язкості, електропровідності та термоелектрорушійної сили (термоЕРС) розплавів систем NaF–LiF–LaF₃ і NaF–LiF–NdF₃, які можуть служити компонентами бланкета рідинносольових реакторів. Установлено, що в'язкість розплавів істотно залежить від хімічного складу і при переході від евтектичної концентрації до перитектичної змінюється в 1,5 –2 рази. Цей же перехід суттєво змінює температурну залежність термоЕРС. Разом з тим температурні залежності електропровідності як для зразків з лантаном, так і для зразків з неодимом практично не змінюються.
Electrical conductivity, thermoelectric power and viscosity measurements were carried out in the wide temperature range for the liquid alloys NaF–LiF–LaF₃ and NaF–LiF–NdF₃, which can serve as blanket components for the molten salt reactors. The electrical conductivity and the thermoelectric power were measured by a contact method in accordance with the 4-point scheme. The dynamic viscosity was measured by oscillating-cup method. It was found that the melt viscosity significantly depends on the chemical composition and varies 1,5 – 2 times during transition from the eutectic concentration to the peritectic one. The same shift significantly alters the temperature dependence of the thermoelectric power. However, the temperature dependence of the electrical conductivity of the samples with lanthanum and neodymium remain practically unchanged.
|
| issn |
1813-3584 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/113357 |
| citation_txt |
Физические свойства компонентов бланкета для жидкосолевых реакторов / Л.А. Булавин, А.А. Омельчук, Н.В. Файдюк, Ю.А. Плевачук, В.М. Склярчук, Р. Н. Савчук // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2014. — Вип. 22. — С. 63–69. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT bulavinla fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT omelʹčukaa fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT faidûknv fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT plevačukûa fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT sklârčukvm fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT savčukrn fizičeskiesvoistvakomponentovblanketadlâžidkosolevyhreaktorov AT bulavinla fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT omelʹčukaa fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT faidûknv fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT plevačukûa fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT sklârčukvm fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT savčukrn fízičnívlastivostíkomponentívblanketadlârídinnosolʹovihreaktorív AT bulavinla physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor AT omelʹčukaa physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor AT faidûknv physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor AT plevačukûa physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor AT sklârčukvm physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor AT savčukrn physicalpropertiesofblanketcomponentsformoltensaltreactor |
| first_indexed |
2025-11-24T16:28:17Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:28:17Z |
| _version_ |
1850482303533318144 |
| fulltext |
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 63
УДК 539.1, 621.039.5, 537.57
Л. А. Булавин1,2, А. А. Омельчук3, Н. В. Файдюк3, Ю. А. Плевачук4, В. М. Склярчук4, Р. Н. Савчук3
1 Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, ул. Лысогорская, 12, корп. 106, Киев, 03028, Украина
2 Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, просп. акад. Глушкова, 4,
Киев, 03022, Украина
3 Институт общей и неорганической химии им. В. И. Вернадского, просп. акад. Палладина, 32/34,
Киев, 03680, Украина
4 Львовский национальный университет имени Ивана Франко, ул. Кирилла и Мефодия, 8, Львов, 79005, Украина
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ БЛАНКЕТА ДЛЯ ЖИДКОСОЛЕВЫХ РЕАКТОРОВ
В широком температурном интервале проведены исследования температурной зависимости вязкости,
электропроводности и термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) расплавов систем NaF–LiF–LaF3 и NaF–LiF–
NdF3, которые могут служить компонентами бланкета жидкосолевых реакторов. Установлено, что вязкость
расплавов существенно зависит от химического состава и при переходе от эвтектической концентрации к пери-
тектической изменяется в 1,5 – 2 раза. Этот же переход существенно изменяет температурную зависимость
термоЭДС. Вместе с тем температурные зависимости электропроводности как для образцов с лантаном, так и
для образцов с неодимом практически не меняются.
Ключевые слова: жидкосолевые реакторы, бланкет, вязкость, электропроводность, термоЭДС.
Введение
Жидкосолевой ядерный реактор MSR (Molten Salt Reactor) представляет собой один из много-
обещающих высокотемпературных типов ядерных реакторов для генерации электроэнергии, а в пер-
спективе и для производства водорода. Этот тип реакторов также может быть использован для сжи-
гания плутония и других трансурановых элементов, возникающих в отработанном ядерном топливе.
Последнее обстоятельство крайне важно, ибо стратегия обращения с отработанным ядерным топли-
вом представляет собой одну из важных проблем, которую необходимо будет решать для развития
ядерной энергетики.
Жидкосолевой ядерный реактор обычно характеризуется как неклассический тип ядерного
реактора [1] из-за специфического характера его ядерного топлива, которое представляет собой жид-
кость, состоящую из смеси солей фторидов, циркулирующей через активную зону и теплообменник.
Делящиеся материалы (уран или трансурановые элементы) растворяются в жидкосолевом носителе,
образуя так называемый бланкет, который одновременно является и теплоносителем.
Бланкет жидкосолевого ядерного реактора, работающего в режиме уничтожения высокора-
диотоксичных элементов отработанного ядерного топлива, представляет собой смесь фторидов плу-
тония и других трансурановых элементов, растворенных в солевой композиции из фторидов элемен-
тов, которые не поглощают нейтроны.
Другой весьма многообещающий режим работы жидкосолевого реактора основан на реализа-
ции торий-уранового топливного цикла 232Th→ 233U. В этом режиме жидкосолевой MRS работает как
реактор-наработчик собственного делящегося материала 233U из сырьевого материала 232Th.
Первый MRS мощностью 2,5 МВт был запущен в США в 1954 г. В качестве топлива в нем
был использован жидкий раствор NaF(53)–ZrF4(41)–UF4(6). Максимальная температура бланкета со-
ставляла 1155 К.
Дальнейшее совершенствование реакторов MSR продолжалось по программам „Molten Salt
Reactor Experiment”(MSRE) и „Molten Salt Breeder Reactor”(MSBR). В рамках программы MSRE был
запущен реактор, бланкетом которого была солевая смесь LiF–BeF2–ZrF4–UF4, а теплоносителем вто-
рого контура реактора служила смесь LiF–BeF2.
Одной из основных проблем в создании реактора MSR является тщательный выбор топлив-
ной смеси и контроль за ее химическим составом в процессе эксплуатации. Выбор состава бланкета
определяется рядом требований, среди которых небольшое сечение взаимодействия нейтронов с
компонентами бланкета [2], невысокая температура плавления солевого сплава. Таким критериям
отвечают сплавы эвтектического состава, состоящего из фторидов редкоземельных и щелочных ме-
таллов. Относительно невысокую температуру плавления имеют указанные сплавы и перитектиче-
ским составом [3].
© Л. А. Булавин, А. А. Омельчук, Н. В. Файдюк,
Ю. А. Плевачук, В. М. Склярчук, Р. Н. Савчук, 2014
Л. А. БУЛАВИН, А. А. ОМЕЛЬЧУК, Н. В. ФАЙДЮК И ДР.
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 64
Целью настоящей работы было исследование физических свойств, а именно электропровод-
ности, термоЭДС и вязкости возможных компонентов бланкета жидкосолевых реакторов.
Материалы и методики измерений
Для экспериментальных исследований были использованы образцы, полученные путем сплав-
ления в платиновых тиглях в атмосфере аргона фторида лития, фторида натрия марки „х.ч”, трифто-
рида лантана и трифторида неодима марки „ч”.
Дифференциально-термическими исследованиями [4] было показано, что в системе NaF–LiF–
LaF3 существует одна эвтектика E(La) и одна перитектика P(La). Эвтектика имеет мольный состав
NaF(44,0)–LiF(42,0)–LaF3(14,0) и температуру плавления (853 ± 2) К. Перитектика P(La) отвечает
составу NaF(45,0)–LiF(39,0)–LaF3(16,0) с температурой плавления (868 ± 2) К. Дифференциально-
термический [5] и рентгеноструктурный анализы [6] показали, что в системе NaF–LiF–NdF3 суще-
ствует одна эвтектика и две перитектики. Эвтектика Е(Nd) отвечает составу (мол. %) NaF (33,0)–LiF
(53,0)–NdF3 (14,0) и имеет температуру плавления (853 ± 2) К. Первая перитектика P1(Nd) имеет тем-
пературу плавления (868 ± 2) К и отвечает составу (мол. %): NaF(41,0)–LiF(44,0)–NdF3(15,0). Вторая
перитектика P2(Nd) отвечает составу: NaF(39,0)–LiF(45,0)–NdF3(16,0) и имеет температуру плавления
(883 ± 2) К.
Изучение температурной зависимости вязкости ионных жидкостей, которые образуются по-
сле плавления тройных систем NaF–LiF–LaF3 и NaF–LiF–NdF3 эвтектического и перитектического
составов проведено с помощью вискозиметра методом затухающих крутильных колебаний цилиндра,
в который помещен графитовый тигель, заполненный исследуемой жидкостью [7]. С целью преду-
преждения возможного испарения расплава тигель герметично закрывался крышкой и находился в
камере с избыточным давлением аргона.
Измерение вязкости проведено в режиме охлаждения образца. Расчет вязкости выполнялся с
использованием формулы, полученной Швидковским [9] для крутильного вискозиметра такого типа.
При использовании указанного метода относительная ошибка измерения вязкости составляла ~5 %.
Для комплексных исследований электропроводности σ (относительная ошибка измерений
~2 %) и термоЭДС Ѕ (относительная ошибка измерений ~ 5 %) указанных образцов использована
многозонная ячейка из нитрида бора с графитовыми электродами. Использование такой измеритель-
ной ячейки позволяет исключить из результатов эксперимента составляющую ошибки определения
электропроводности, которая возникает вследствии диффузии исследуемого расплава в керамику
ячейки. Измерения σ проведено как на постоянном токе, так и на переменном токе на частотах 1, 10,
25 кГц с использованием прибора RLC-Meter HM8018.
Измерение термоЭДС выполнено по стандартной методике [8] путем создания разницы тем-
ператур (10 – 20) К вдоль образца. Измерение температуры проведено вольфрам-рениевыми термо-
парами WRe5/20.
Спай термопары помещался в объеме графита с целью ее защиты от агрессивной среды ион-
ного расплава. Отдельные электроды термопар использовались как потенциальные зонды в случае
измерения электропроводности.
Результаты эксперимента и обсуждение
При измерении вязкости исследуемые образцы эвтектического и перитектического составов
E(La), P(La), E(Nd), P1(Nd), P2(Nd) по очереди помещались в графитовый тигель установки для изме-
рения вязкости [7], где нагревались до максимальной температуры эксперимента Tmax = 1450 K. На
рис. 1 представлено температурную зависимость вязкости указанных исследованных образцов. Как
видим на рис. 1, а, для образца E(La) эвтектического состава системы NaF–LiF–LaF3 во всем исследу-
емом интервале температур вязкость уменьшается с увеличением температуры. Обработка получен-
ных экспериментальных данных с помощью закона Аррениуса
/
0
Q kTeη η= , (1)
где Q – энергия активации вязкого течения, дала следующие значения: в интервале температур (900 –
970) К Q = (55 ± 3) кДж/моль и в интервале температур (970 – 1150) К Q = (36 ± 3) кДж/моль.
На рис. 1, а представлено и температурную зависимость вязкости ионной жидкой системы
NaF–LiF–LaF3 перитектического состава P(La). Как видим, при понижении температуры от макси-
мальной вязкость образца P(La) увеличивается и достигает максимального значения при температуре
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ БЛАНКЕТА
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 65
Т = (1080 ± 5) К. При уменьшении температуры ниже 1080 К значения вязкости уменьшаются. Такое
же поведение имеет температурная зависимость вязкости образцов E(Nd), P1(Nd), P2(Nd) системы
NaF–LiF–NdF3. Для E(Nd) максимальное значение вязкости для них (см. рис. 1, б) было получено при
температуре (1005 ± 5) К, а для P1(Nd) и P2(Nd) (1010 ± 5) К и (1045 ± 5) К соответственно. Следует
отметить, что разность между найденными температурными максимумами вязкости и температурами
плавления соответствующих образцов в пределах ошибки температур определенно совпадают. Суще-
ствование таких особых точек, которые находятся выше температур плавления образцов на (150 –
160) К, можно объяснить тем, что в исследуемом интервале температур расплавы NaF–LiF–LaF3 и
NaF–LiF–NdF3 находятся в неравновесном состоянии, связанным с инконгруентным плавлением со-
единений NaLaF4, NaNdF4 и Na5Nd9F32. Именно неоднородность жидкой системы и приводит к тому,
что используемые для расчета вязкости формулы Швидковского [9] уже нельзя применять. Таким
образом, для P(La) ниже (1080 ± 5) К, для E(Nd) ниже (1005 ± 5) К, для P1(Nd) ниже (1010 ± 5) К и для
P2(Nd) ниже (1045 ± 5) К метод Швидкового не позволяет определить значение вязкости. Вместе с
тем следует отметить, что такие измерения позволяют определить максимальные температуры, при
которых еще инконгруентно не расплавились соединение NaNdF4 в системе NaF–LiF–LaF3 и соеди-
нения NaNdF4, Na5Nd9F32 в системе NaF–LiF–NdF3.
Рис. 1. Температурная зависимость вязкости расплавов NaF–LiF–LaF3 (а) и NaF–LiF–NdF3 (б).
Анализ рис. 1 показывает, что изменение состава расплава существенно влияет на изменение
вязкости ионной жидкой системы. Так переход от эвтектики к перитектике в системе с лантаном, в
температурном интервале (1050 – 1250) К, увеличивает вязкость жидкой системы NaF–LiF–LaF3
вдвое, а переход от эвтектики к перитектике уменьшает вязкость расплава NaF–LiF–NdF3 в 1,5 раза.
На рис. 2 представлено результаты измерения температурной зависимости термоЭДС распла-
вов NaF–LiF–LaF3 и NaF–LiF–NdF3. Как видно на рис. 2, а, диапазон изменения термо–ЭДС в систе-
ме NaF–LiF–LaF3 в случае перитектики вдвое меньше, чем в случае эвтектики. Для системы NaF–
LiF–NdF3 диапазон изменения S с эвтектическим и перитектическим составом практически совпа-
дают.
Обращает на себя внимание тот факт, что если для систем с лантаном измеряемая зависи-
мость S(T) при увеличении температуры идет от отрицательных значений в точке плавления, то для
системы с неодимом S(T) в точке плавления имеет положительный знак. При увеличении температу-
ры как в одной, так и в другой системах S(T) возрастает, причем если для образцов с лантаном S(T)
достигает положительных значений, то для образцов с неодимом S(T) остается отрицательной. Как
видно на рис. 2, а, на зависимости S(T) для E(La) и P(La) есть минимумы при температурах
(950 ± 5) К и (1040 ± 5) К соответственно. На зависимости S(T) для образцов с неодимом также суще-
ствуют минимумы (см. рис. 2, б) при температурах (970 ± 5) К для E(Nd), (990 ± 5) К для P1(Nd) и
(1040 ± 5) К для P2(Nd), при которых производная S T∂ ∂ меняет знак.
Сравнивая на рис. 2 а и б, можно отметить, что если для системы NaF–LiF–NdF3 температур-
ную зависимость S(T) приближенно можно описать с помощью двух производных ( S T∂ ∂ ) противо-
положного знака, то для описания S(T) в системе NaF–LiF–LaF3 такое описание требует наличие уже
трех производных ( S T∂ ∂ ).
Л. А. БУЛАВИН, А. А. ОМЕЛЬЧУК, Н. В. ФАЙДЮК И ДР.
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 66
Рис. 2. Температурная зависимость термоЭДС расплавов NaF–LiF–LaF3 (а) и NaF–LiF–NdF3 (б).
Одной из причин такого поведения температурной зависимости термоЭДС и относительно
больших ее абсолютных значений (~1000 мкВ·К-1) по сравнению с жидкими металлами (~10 мкВ·К-1)
и жидкими полупроводниками (~100 мкВ·К-1) является перенос тепла ионами, что дает существенный
вклад в S(T), который, вероятно, чувствителен к структуре солевых расплавов. Отметим, что исследо-
ванные образцы обеих систем в жидком состоянии состоят из ионов противоположного знака и не-
большой части недиссоциированных молекул, поэтому структура расплавов зависят как от изначаль-
ного состава компонент, их взаимодействий, так и от температуры.
Поведение термоЭДС S(T) в таких ионных жидких системах может быть проанализировано с
помощю уравнения, которое можно получить из [11]
0 0 0
1
( ) i i e
i i e
i i
Q Q Q
S T t t t A
T e z e z e
+ −
+ −
= − − −
∑ ∑ , (2)
где 0e - заряд электрона; iQ+ - теплота переноса і-го положительного иона; iQ− - теплота переноса
і-го отрицательного иона; eQ - теплота переноса электрона; it
+ - парциальный вклад в перенесенный
заряд і-го положительного иона; it
− - парциальный вклад в перенесенный заряд і-го отрицательного
иона; et - парциальный вклад электронов в перенесенный заряд; A - константа для данной ионной
жидкой системы. Изменение знака производной ( S T∂ ∂ ) связано с изменением преобладающего
вклада в термоЭДС ионов того или другого знака.
Из формулы (2) можно получить значение температуры, при которой S(T) = 0:
0
0 0 0
1 i i e
S i i e
i i
Q Q Q
T t t t
A e z e z e
+ −
+ −
=
= − −
∑ ∑ . (3)
Величина указанной температуры определяется теплотами переноса ионов и электронов, а также
парциальными вкладами этих частиц в суммарный перенесений заряд. Как видно из формулы (3),
существует только одна температура, при которой кривая S(T) пересекает прямую S = 0, что и под-
тверждает проведенный эксперимент.
Следует отметить, что на температурной зависимости S(T) для образцов с лантаном кроме
точки минимума существует еще одна особая точка, в которой производная ( S T∂ ∂ ) резко меняет
свое значение. Эти точки соотведствуют температуре Т = (1100 ± 10) К для образца эвтектического
состава и температуре Т = (1300 ± 10) К для образца перитектического состава. Резкое изменение ве-
личины производной S T∂ ∂ при указаных выше температурах, по нашему мнению, связано с нали-
чием третьего слагаемого в формуле (3), что характерно для исследованных систем с лантаном, и от-
сутствует в исследуемых системах с неодимом. Обращает на себя внимание тот факт, что эти точки
на кривых S(T), свидетельствующие о качественных изменениях в структуре расплава NaF–LiF–LaF3,
коррелируют с исчезновением предпика в структурном факторе [6].
На рис. 3 представлено температурную зависимость электропроводности расплавов NaF–LiF–
LaF3 и NaF–LiF–NdF3, измеренную на постоянном токе.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ БЛАНКЕТА
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 67
В целом исследованные расплавы, как с лантаном, так и с неодимом, эвтектической и пери-
тектической концентрации ведут себя как полупроводники: при возрастании температуры их элек-
тропроводность возрастает по закону
0 exp[ / 2 ]E kTσ σ= −∆ , (4)
где ∆Е - энергия активации электропроводности.
Рис. 3. Температурная зависимость электропроводности расплавов NaF–LiF–LaF3 (а) и NaF–LiF–NdF3 (б).
Более детальный анализ рис. 3, а показывает, что в случае системы с лантаном указанная по-
лупроводниковая зависимость электропроводности от температуры существует для образца E(La) до
температуры 1100 К, а для образца P(La) до температуры 1300 К. Далее наблюдается уменьшение
электропроводности с увеличением температуры, которое характерно для жидких металлов. Найден-
ная из формулы (4) E∆ для E(La) составила 0,29 0,01E∆ = ± эВ, а для P(La) - 0,31 0,01E∆ = ± эВ.
На рис. 3, б представлены температурные зависимости ( )Tσ для образцов E(Nd), P1(Nd) и P2(Nd). В
отличие от образцов с лантаном в данном случае не наблюдается переход от полупроводниковой
проводимости к металлической, и найденные величины E∆ имеют такие значения: 1E∆ = 0,42 ± 0,01
эВ для E(Nd), 2E∆ = 0,44 ± 0,01 эВ для P1(Nd) и 3E∆ = 0,32 ± 0,01 эВ для P2(Nd).
На рис. 4 представлены температурные зависимости электропроводимости расплавов NaF–
LiF–LaF3 и NaF–LiF–NdF3, измеренные на разных частотах.
T, K
600 800 1000 1200 1400
σ,
О
м
-1
см
-1
3
4
5
6
7
NaF44LiF42(LaF3)14
(25 kHz)
NaF44LiF42(LaF3)14
NaF44LiF42(LaF3)14
(10 kHz)
а)
T, K
900 1000 1100 1200 1300
σ ,
О
м
-1
см
-1
3
4
5
6
NaF33LiF53(NdF3)14 (25 kHz)
NaF33LiF53(NdF3)14
б)
Рис. 4. Температурная зависимость электропроводности расплавов NaF44LiF42(LaF3)14(а)
и NaF33LiF53(NdF3)14(б) на разных частотах.
Л. А. БУЛАВИН, А. А. ОМЕЛЬЧУК, Н. В. ФАЙДЮК И ДР.
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 68
Анализ рис. 3 и 4 показывает, что существует некоторая частотная дисперсия электропровод-
ности. Можно выделить два противоположных случая зависимости электропроводности расплавов от
частоты приложенного поля. В первом случае электропроводность проявляет положительную ча-
стотную дисперсию, а во втором случае дисперсия отсутствует или отрицательна. По нашему мне-
нию, частотная зависимость электропроводности может быть обусловлена прыжковым механизмом
проводимости прыжσ и поляризацией микрогетерогенной структуры.
Во втором случае дисперсия отсутствует. В этом случае следует допустить, что доминирую-
щим есть зонный механизм проводимости зонσ . В случае, если дисперсия отрицательна, происходит
металлизация системы.
Можно считать, что в общем случае ( )σ σ ω= и равна
σ(ω) σ σзон прыж= + . (5)
В зависимости от величины электропроводности на постоянном токе и от частоты приложен-
ного электромагнитного поля в σ(ω) будет преобладать или зонный, или прыжковый механизм элек-
тропроводности. Если σ σзон прыж≈ , то будет существовать слабая частотная зависимость электро-
проводности с более сильной температурной зависимостью, что и наблюдается в эксперименте.
Выводы
В результате проведенных экспериментов установлено, что вязкость расплавов NaF–LiF–LaF3
и NaF–LiF–NdF3, которые могут составлять компоненты бланкета жидкосолевых реакторов, суще-
ственно зависит от состава расплава: переход от эвтектического состава к перитектическому в 1,5 –
2 раза изменяет вязкость жидкой ионной системы. Этот же переход существенно изменяет темпера-
турную зависимость термоЭДС. Вместе с тем температурные зависимости электропроводности как
для образцов с лантаном, так и для образцов с неодимом при этом практически не меняются.
В системе NaF–LiF–LaF3 при температуре ~1100 K для образца эвтектического состава и при
температуре ~1300 K для образца перитектического состава наблюдается переход от полупроводни-
кового типа электропроводности к металлическому типу, что отсутствует в расплаве NaF–LiF–NdF3.
По нашему мнению, это связано с существенными структурными изменениями в расплаве NaF–LiF–
LaF3, а именно образованием перколяционного кластера при температуре ~1100 K в образце эвтекти-
ческого состава и при температуре ~1300 K в образце перитектического состава.
Показано, что перенос заряда в ионных жидкостях можно рассматривать как комбинацию
зонного и прыжкового механизмов переноса заряда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азаренков Н. А., Булавин Л. А., Залюбовський И. И. Ядерная энергетика. – Харьков: ХНУ им.
В. Н. Каразина, 2012. – 480 с.
2. Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. – К.: Знання, 2006. – 420 с.
3. Строение расплавленных солей / Под. ред. Е. А. Укше. – М.: Мир, 1966. – 375 с.
4. Savchuk P., Faidyuk N. Investigation of the interaction of composents in the System NaF–LiF–LaF3 // J ECS
Transact. – 2010 – Vol. 33, No. 7. – P. 311–319.
5. Faidyuk N. V., Savchuk P. M., Fedorov J. V. Interaction in the system NaF–LiF–NdF3 // Book of poster abstracts
24-th EUCHEM 2012. Molten Salts and Ionic Liquids Conference (5 – 10.08.2012, Newport, UK). – 2012. –
P. 95.
6. Сокольский В. Э., Роик А. С., Казимиров В. П. и др. Структура эвтектики NaF - LiF - LaF3 в твердом и рас-
плавленном состоянии // Неорганические материалы. – 2012. – Т. 48, № 4. – С. 416 - 422.
7. Булавін Л.А., Плевачук Ю. О., Склярчук В. М. Критичні явища розшарування в рідинах на землі та в кос-
мосі. – К.: Наук. думка, 2011. – 280 с.
8. Булавін Л. А., Соколовський Б. І., Плевачук Ю. О., Склярчук В. М. Перехід метал-неметал в іонно-
електронних рідинах. – К.: АСМІ, 2008. – 312 с.
9. Швидковский Е. Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. – М.: Гостехиздат, 1955. –
207 с.
10. Катлер М. Жидкие полупроводники. – М.: Мир, 1980. – 256 с.
11. Белащенко Д. К. Явление переноса в жидких металлах и полупроводниках. – М.: Атомиздат, 1970. – 396 с.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ БЛАНКЕТА
________________________________________________________________________________________________________________________
ISSN 1813-3584 ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ 2014 ВИП. 22 69
Л. А. Булавін1,2, А. А. Омельчук3, Н. В. Файдюк3, Ю. О. Плевачук4, В. М. Склярчук4, Р. Н. Савчук3
1 Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, вул. Лисогірська, 12, корп. 106, Київ, 03028, Україна
2 Київський національний університет імені. Тараса Шевченка, просп. акад. Глушкова, 4, Київ, 03022, Україна
3 Інститут загальної і неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського, просп. акад. Палладіна, 32/34, Київ, 03680,Україна
4 Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. Кирила і Мефодія 8, Львів, 79005, Україна
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОНЕНТІВ БЛАНКЕТА ДЛЯ РІДИННОСОЛЬОВИХ РЕАКТОРІВ
У широкому температурному інтервалі проведено дослідження температурної залежності в'язкості,
електропровідності та термоелектрорушійної сили (термоЕРС) розплавів систем NaF–LiF–LaF3 і NaF–LiF–NdF3,
які можуть служити компонентами бланкета рідинносольових реакторів. Установлено, що в'язкість розплавів
істотно залежить від хімічного складу і при переході від евтектичної концентрації до перитектичної змінюється
в 1,5 –2 рази. Цей же перехід суттєво змінює температурну залежність термоЕРС. Разом з тим температурні
залежності електропровідності як для зразків з лантаном, так і для зразків з неодимом практично не зміню-
ються.
Ключові слова: рідинносольові реактори, бланкет, в'язкість, електропровідність, термоЕРС.
L. A. Bulavin1,2, A. А. Omelchuk3, N. V. Faidiuk3, Yu. O. Plevachuk4, V. M. Sklyarchuk4, R. N. Savchuk3
1 Institute for Safety Problems of Nuclear Power Plants NAS of Ukraine, 12, Lysogirska str., building 106,
Kyiv, 03028, Ukraine
2 Kyiv National Taras Shevchenko University, Faculty of Physics, 2, Рrosp. Glushkova, 03022, Kyiv, Ukraine
3 V. I. Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry, 32/34, Рrosp. Akad. Palladina, 03680, Kyiv, Ukraine
4 Ivan Franko National University, Department of Metal Physics, 8, Kyrylo & Mephodiy str., 79005, Lviv, Ukraine
PHYSICAL PROPERTIES OF BLANKET COMPONENTS FOR MOLTEN SALT REACTOR
Electrical conductivity, thermoelectric power and viscosity measurements were carried out in the wide
temperature range for the liquid alloys NaF–LiF–LaF3 and NaF–LiF–NdF3, which can serve as blanket components for
the molten salt reactors. The electrical conductivity and the thermoelectric power were measured by a contact method in
accordance with the 4-point scheme. The dynamic viscosity was measured by oscillating-cup method. It was found that
the melt viscosity significantly depends on the chemical composition and varies 1,5 – 2 times during transition from
the eutectic concentration to the peritectic one. The same shift significantly alters the temperature dependence of the
thermoelectric power. However, the temperature dependence of the electrical conductivity of the samples with lantha-
num and neodymium remain practically unchanged.
Keywords: molten salt reactors, blanket, viscosity, electrical conductivity, thermoelectric power.
REFERENCES
1. Azarenkov N. A., Bulavin L. A., Zalubovskii I. I. Nuclear Energy. – Kharkiv, KNU, 2012. – 480 p. (Rus)
2. Bulavin L. A.,Tartakovskii V. К. Nuclear Physics. – Кyiv: Znannya, 2006. – 420 p. (Ukr)
3. Structure and properties of molten salts / Ed. E. A. Ukshe. – Moskva: Mir, 1966. – 375 p. (Rus)
4. Savchuk P., Faidyuk N. Investigation of the interaction of composents in the System NaF–LiF–LaF3 // J ECS
Transact. – 2010. – Vol. 33, No. 7. – P. 311–319.
5. Faidyuk N. V., Savchuk P. M., Fedorov J. V. Interaction in the system NaF–LiF–NdF3 // Book of poster abstracts
24-th EUCHEM 2012. Molten Salts and Ionic Liquids Conference (August 5 - 10, 2012, Newport, UK) – 2012. –
P. 95.
6. Sokolskii V. E., Roik А. S., Kazimirov V. P., Faidyuk N. V., Savchuk P. M. Structure of NaF–LiF–LaF3 eutectic in
solid and molten states // Neorganicheskie Materialy. – 2012. - Vol. 48. – P. 416–422. (Rus)
7. Bulavin, L. A., Plevachuk, Yu. O., Sklyarchuk, V. M. Critical Phenomena of Phase separation on Earth and in
Space. – Kyiv: Naukova Dumka, 2011. – 280 p. (Ukr)
8. Bulavin, L. A., Sokolovskii B. I., Plevachuk, Yu. O., Sklyarchuk, V. M. Metal-Nonmetal Transition in Ion-Electron
Liquids. – Kyiv: ACMI, 2008. – 312 p. (Ukr)
9. Shvidkovski, E.G. Some problems of molten metals viscosity. – Moskva: Gostekhteorizdat, 1955. (Rus).
10. Cutler M. Liquid semiconductors. - New York: Academic Press, 1977. – 226 p.
11. Belashchenko D.K. Transport phenomena in liquid metals and semiconductors. – Moskva: Atomizdat, 1970. –
396 p. (Rus)
Надійшла 23.09.2013
Received 23.09.2013
|