РАСПЛАВЫ
1 • 20131
УДК 534.221+546.815
© 2013 г. М. А. Гузачев1, Н. Ю. Константинова, П. С. Попель, А. Г. Мозговой
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ЖИДКИХ ГАЛЛИЯ, ИНДИЯ И ИХ ВЗАИМНЫХ РАСТВОРОВ
Измерены температурные зависимости кинематической вязкости расплавов Ga—In. Опыты проводились в интервале температур между ликвидусом и 1100°С. Их отличительная особенность — проведение измерений в режиме нагрева после плавления образца и последующего охлаждения. Обнаружено несовпадение указанных зависимостей (гистерезис вязкости) для сплава эвтектической концентрации. По найденным экспериментально температурным зависимостям кинематической вязкости рассчитаны ее значения при фиксированных температурах, а также концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения. Отмечены аномалии двух последних зависимостей при содержании индия около 10 ат. %.
Ключевые слова: расплавы галлий—индий, кинематическая вязкость, энергия активации вязкого течения, теплоноситель.
ВВЕДЕНИЕ
Благодаря относительной дешевизне вырабатываемой электроэнергии атомные электростанции являются одной из важных составляющих энергетического комплекса развитых стран. Ввод большинства из них в эксплуатацию производился в 70—80 гг. прошлого века. Поэтому сегодня многие из реакторов выработали свой ресурс. Им на смену должны прийти новые агрегаты с повышенной надежностью.
Наиболее совершенна и безопасна конструкция реакторов, в первичном контуре охлаждения которой использован жидкометаллический теплоноситель. По сравнению с другими теплоносителями, жидкие металлы электропроводны, что позволяет организовать их циркуляцию при помощи магнитогидродинамических насосов. К тому же они имеют высокую температуру кипения и сравнительно дешевы [1].
Несмотря на отмеченные преимущества, стационарные реакторы с жидкометалличе-скими теплоносителями редко используются для производства электроэнергии. В настоящее время единственным действующим устройством такого рода является реактор третьего энергоблока Белоярской АЭС. Кроме того, подобные реакторы установлены на ряде подводных лодок и космических аппаратов [2, 3].
В большинстве перечисленных случаев используется натриевый теплоноситель, существенный недостаток которого — высокая химическая активность. Актуальной задачей является экспериментальное исследование теплофизических свойств новых жидко-металлических теплоносителей и получение справочных данных, важных для проектировщиков и создателей реакторов на быстрых нейтронах. Одно из таких свойств — кинематическая вязкость v. Значения v, полученные в достаточно широком интервале температур, определяют режимы течения жидкости по трубам теплообменных аппаратов. Кроме того, они полезны для расчета запаса прочности проводящих систем реактора в критических и внештатных ситуациях.
В данном сообщении приводятся результаты исследования кинематической вязкости жидких галлия, индия и их взаимных растворов. Согласно [4], эти металлы и их сплав
1mag85@bmail.ru.
эвтектического состава рассматриваются как возможные претенденты на роль жидко-металлических теплоносителей в реакторах нового поколения. Ранее подобные измерения проводились в работах [5—7], однако авторы обычно ограничивались изучением лишь Оа и 1п и при этом не указывали чистоту указанных металлов.
Для получения более надежных и подробных справочных данных в настоящей работе были измерены температурные зависимости вязкости жидких галлия, индия, галлий-индиевой эвтектики, содержащей 13.19 ат.% 1п, и еще семь сплавов системы Оа—1п (Оах1п100 _х, где х = 15.46, 30.96, 41.37, 52.33, 62.21, 71.18, 79.34 и 93.67 ат. %) в интервале температур от точки плавления или линии ликвидуса до 1100°С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для измерения кинематической вязкости V был использован метод, основанный на фиксировании периода и декремента затухания крутильных колебаний цилиндрического тигля с исследуемой жидкостью. Значения V рассчитывали по формуле, полученной Швидковским [8] в результате решения внутренней гидродинамической задачи для слабовязких жидкостей, к которым относятся жидкие металлы и большинство жидких сплавов:
у = 1 (К)2 [8- (80/ Т0)т]2 п(МЯ) ТСТ2 '
Здесь М, Я — масса расплава и радиус тигля; К — момент инерции подвесной системы; 8, т — логарифмический декремент затухания и период колебаний системы с расплавом; 80, т0 — то же для пустой системы; ст — величина, учитывающая передачу импульса от дна и крышки образца, значения которой определялись методом последовательных приближений.
Измерения проводили на установке, принципиальная схема которой приведена в [9]. Для повышения чувствительности вискозиметра были оптимизированы параметры его подвесной системы: использовали тигли из оксида бериллия с внутренним радиусом 8.5 мм, масса образца составляла от 45 до 60 г, момент инерции подвесной системы — 8.72 • 10-6 кг • м2, диаметр нихромовой нити — 0.24 мм и период колебаний — около 3 с. Эти параметры обеспечивали выполнимость условий, в рамках которых была получена формула (1):
Н > 1.85Я, (2)
у = > 100, (3)
XV
где Н — высота образца; Я — его радиус; т — период колебаний; V —кинематическая вязкость расплава.
Для более точного определения декремента затухания крутильных колебаний подвесной системы авторами предложена автоматизированная схема регистрации их параметров. Луч лазера, отраженный от зеркальца подвесной системы, колебался в одной плоскости с фотодатчиками, установленными в ряд на расстоянии 5 м от оси установки. Один из датчиков (центральный) фиксировал период колебаний, а два других, расположенных на расстоянии 2 см от центрального — время прохождения луча между ними. Полученные данные сохранялись в памяти персонального компьютера. При достаточно малом расстоянии между боковыми датчиками время прохождения луча лазера между ними обратно пропорционально скорости прохождения лучом положения равновесия, декремент затухания колебаний которой совпадает с декрементом затухания амплитуды колебаний. Авторы фиксировали зависимость логарифма времени прохождения луча между датчиками от номера колебания и по наклону этого графика методом наимень-
Таблица 1
Химический состав исследуемых металлов
Примеси Галлий Индий Примеси Галлий. Индий
мас. % мас. %
Fe 3 10-4 4 10-5 Н8 - 5 ■ 10-5
N1 1 10-4 2 10-5 Т1 - 1 ■ 10-4
Си 2 10-3 5 10-6 8п - 1 ■ 10-4
7п 1 10-4 3 10-5 РЪ 6 ■ 10-4 3 ■ 10-5
А8 3 10-4 7 10-5 А1 3■10-4 -
са 5 10-4 2 10-6 1п - 99.9996
8Ъ - 31 10-5 Оа 99.99 -
ших квадратов определяли декремент затухания колебаний. Это существенно повысило надежность определения 8 и 80, что привело к повышению точности измерения вязкости с 3-5% до 1-2%.
Для измерений использовали металлы высокой чистоты, соответствующие стандартам: галлий Гл-0 ГОСТ 12797-77 и индий Ин00 ГОСТ 10297-94. Допустимое содержание примесей в них указано в табл. 1.
При получении образцов навески исходных компонентов взвешивали на электронных весах с точностью 10-4 г. Затем их сплавляли в печи вискозиметра при температурах, превышающих точку плавления Тпл индия, как более тугоплавкого компонента, в течение 30-40 мин. После этого температуру понижали до Т < Тпл, дожидались установления равновесия, вновь нагревали образец до Т > Тпл и приступали к измерениям вязкости в ходе нагрева до 1100°С и последующего охлаждения с шагом около 30°С.
Измерения проводили в атмосфере высокочистого гелия, который напускали в установку после ее вакуумирования. В этих условиях при Т > 800°С отмечалось закономерное увеличение разброса фиксируемых значений декремента затухания колебаний с ростом температуры, достигающее 2-3%. Авторы связывают этот эффект с развитием конвективных газовых потоков, возмущающих крутильные колебания подвесной системы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Температурные зависимости кинематической вязкости, полученные в ходе нагрева и последующего охлаждения образцов системы Оа-1п, приведены на рис. 1 (для сплавов, богатых галлием) и рис. 2 (для сплавов на основе индия).
При их анализе прежде всего отметим совпадение кривых v(t), соответствующих режимам нагрева и охлаждения, для всех образцов, за исключением сплава эвтектической концентрации. В последнем случае гистерезис вязкости с точкой ветвления около 300°С выражен достаточно отчетливо и существенно превышает погрешность измерений.
Полученные температурные зависимости вязкости близки к простой экспоненте, описываемой уравнением Аррениуса:
V = V 0ехр(£/ЛГ), (4)
где v0 - постоянная исследуемого вещества; Е - энергия активации вязкого течения; Т - термодинамическая температура.
(V - А), 10—7 м2 • с-1 6.5 г
5.5
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
1 ■■ -2 3 ■■ 4 5 --~6 7 8 9 - 10 11 12
150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 Г, °С
Рис. 1. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы Оа—1п, богатых галлием: 1 — Оа, нагрев; 2 — Оа, охлаждение; 3 — 6.33 ат. % 1п, нагрев; 4 — 6.33 ат. % 1п, охлаждение; 5 — 13.19 ат. % 1п, нагрев (1.2); 6 — 13.19 ат. % 1п, охлаждение (1.2); 7 — 20.66 ат. % 1п, нагрев (2.5); 8 — 20.66 ат. % 1п, охлаждение (2.5); 9 — 28.82 ат. % 1п, нагрев (3); 10 — 28.82 ат. % 1п, охлаждение (3); 11 — 37.79 ат. % 1п, нагрев (3.5); 12 — 37.79 ат. % 1п, охлаждение (3.5); цифры в скобках — величина смещения графика по оси ординат А.
(V — А), 10—7 м2 • с1
4.5
3.5
2.5
1.5
0.5
1 - -о 2
3 - -о 4
5 6
7 8
9 10
11 12
** * о-о •«>•. л.....о4
150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050 °С
Рис. 2. Зависимость от температуры кинематической вязкости расплавов системы Оа—1п, богатых индием:
1 — 47.67 ат. % 1п, нагрев; 2 — 47.67 ат. % 1п, охлаждение; 3 — 58.63 ат. % 1п, нагрев (0.5); 4 — 58.63 ат. % 1п, охлаждение (0.5); 5 — 69.04 ат. % 1п, нагрев (1); 6 — 69.04 ат. % 1п, охлаждение (1); 7 — 84.54 ат. % 1п, нагрев
(1.7); 8 — 84.54 ат. % 1п, нагрев (1.7); 9 — 1п, нагрев (2.1); 10 — 1п, охлаждение (2.1); цифры в скобках — величина смещения графика по оси ординат А.
Таблица 2
Кинематическая вязкость расплавов системы Оя—1п при фиксированных значениях температуры, 10-7 м2 • с-
г, °с Галлий, ат. %
100.00 93.68 86.82 79.35 71.18 6
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.