Энергетика
Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
Агаев Т.Н., кандидат химических наук, доцент
Гарибов А.А., доктор химических наук, профессор
Касумова У.М., докторант (Институт радиационных проблем Национальной академии наук Азербайджана)
ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ РАДИОЛИЗА ВОДЫ В КОНТАКТЕ С НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛЬЮ
Исследована кинетика накопления молекулярного водорода при различных значениях мощности дозы. Выявлен вклад радиационных процессов в этих контактах на радиолизные и терморадиолиз-ные процессы разложения воды. На основе разности значений скоростей радиационно-термических и термических процессов рассчитано и определено значение радиационно-химического выхода молекулярного водорода.
Ключевые слова: у - излучения, термические процессы, радиационно-термические процессы, ра-диолиз.
THE INFLUENCE POWER OF RADIATION DOSE ON THE PROCESSES OF RADIOLYSIS OF WATER IN CONTACT WITH STAINLESS STEEL
It has been investigated the kinetics of accumulation of hydrogen molecular in the different dose rates. The contribution of radiation processes in these contacts of radiolysis and termo-radiolysis processes of water decomposition . It has been calculated on the basis of the difference between the velocities of radiation thermal and radiation-thermal processes and has been determined the value radiation chemical yields molecular of hydrogen.
Keywords: y-radiation, thermal processes, radiation and thermal processes, radiolysis.
Изучение физико-химических процессов, протекающих в контакте конструкционных материалов (металлический цирконий (Zr), сплавы Zr+1%Nb, нержавеющие стали и ZrO2) ядерных реакторов с водой, представляет большое значение при решении проблем материаловедения и обеспечения безопасности работы ядерно-энергетических установок. Особенности этих процессов связаны с тем, что они могут завершаться, с одной стороны, коррозией конструкционных материалов, а с другой стороны, накоплением в среде взрывоопасных газовых продуктов - Н2 и О2. Для выявления безопасного режима работы и оценки последствий аварий с повреждением активной зоны ядерных реакторов представляет большое значение установления закономерностей накопления молекулярных продуктов (Н2,О2) при радиационных, термических и радиационно-термических процессах в контакте конструкционных материалов с теплоносителем (Н2О) [1-6].
Анализ литературных материалов [7-17] показывает, что в ядерных реакторах с водяным охлаждением в качестве источника молекулярного водорода рассматриваются радиолизные процессы в воде, в жидком и паровом состоянии и парометаллическая реакция. В этих работах радиолитические процессы накопления водорода в реакторах характеризовались выхо-
дом молекулярного водорода, наблюдаемым при гомогенном радиолизе воды, и не учитывалось влияние радиационных и радиационно-термических процессов в контакте конструкционных материалов с водой на накопление молекулярного водорода.
В результате поверхностных физико-химических процессов металлических материалов с агрессивной средой изменяется состояние поверхности, и в конечном итоге эти процессы могут привести к коррозионному разрушению этих материалов. Представленная работа посвящена влиянию дозы различной мощности на кинетику накопления молекулярного водорода при гетерогенном радиолизе воды в присутствии нержавеющей стали при Т =773К и р = 5 мГ/см3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В экспериментальных работах создавалась модель реакторных условий в контакте конструкционных материалов с теплоносителем. Исследования проводились в статических условиях в специальных кварцевых ампулах объемом 0,25-0,3 см3. В качестве объекта исследования брали реакторную нержавеющую сталь марки Х16Н6МГЮ в виде тонкой ленты. Контактирующую поверхность образцов определяли на основе их геометрических размеров, которая составляла 17,23см2/г. С целью исключения вклада органических загрязнений на поверхности в процесс накопления Н2 образцы предварительно очищались органическими растворителями - этиловым спиртом, ацетоном, а затем промывались дистиллированной водой. Эту операцию повторяли 3 раза, после чего образцы высушивали при температуре Т=300-320К в среде инертного газа. Высушивание продолжали с одновременной откачкой среды. После чего образцы в кварцевых ампулах подвергали термовакуумной обработке сначала при Т=373 К, затем при Т=673 К, Р« 10 -3 Па. Наполнение ампул водой и запаивание производилось на вакуумно-адсорбционной установке. Плотность паров воды в ампулах составляла рН2О =5 мГ/см3. Температура при проведении экспериментов поддерживалась с точностью ± 1С. Радиационные и радиационно-термические процессы проводились на изотопном источнике у-излучения 60Со. Дозиметрия источника производилась химическими дозиметрами - ферросульфатными, циклогексаном и метаном. Перерасчет дозы в исследуемой системе производились сравнением электронных плотностей [18].
Газовые продукты процессов переводились в специальные градуированные объемы и анализировались методом газовой хроматографии («Газохром - 3101»). При радиолитиче-ском процессе при Т=300К в составе газовых продуктов кроме Н2 наблюдается также О2 , а при терморадиационном процессе наблюдается только Н2
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С целью выявления влияния нержавеющей стали на радиолиз воды исследована кинетика накопления молекулярного водорода при радиолитическом разложении воды и системы вода+реакторная нержавеющая сталь при Т=300К, которая проведена на рис. 1.
На основе кинетической кривой определена значения радиационно-химического выхода водорода 0(И2), которая равна 0,45 молекул/100эВ для чистой воды и Оадс(Н2) для вода+нержавеющая сталь равен 3,4 молекул/100 эВ соотвественно.
Т,мин
Рис. 1. Кинетическая кривая накопления молекулярного водорода при радиационно -
каталитическом процессе разложения воды в присутствии нержавеющей стали при Т=300К,
р=5мГ/см3; Б=1,12Гр/с.
Наблюдаемый прирост значений ОадсСЧг) при радиолизе воды в присутствии нержавеющей стали по сравнению с выходом радиолиза чистой воды может быть объяснен выходом эммитированных из металла при воздействии у-квантов 5-электронов и образованием на поверхности нержвающей стали активных центров разложения воды.
В условиях работы ядерных реакторов металлические конструкционные материалы подвергаются одновременному воздействию температуры и радиации в контакте с теплоносителями. Поэтому выявление закономерностей радиационно-термических поверхностных процессов образования Н2 в контакте воды с металлическими материалами представляет большое значение.
С этой целью исследовалась кинетика накопления молекулярного водорода при радиаци-онно-термическом и термическом процессах в контакте нержавеющей стали с водой. На основе начальных линейных участков экспериментальных кинетических кривых определены значения скоростей этих процессов '^Т(Н2) и WТ(H2) соответственно.
Скорость радиационной составляющей WI>(H2) радиационно-термического процесса накопления водорода может быть определена из разницы скоростей радиационно-термических и термических процессов:
Wp(H2) = Wpт(H2) - Wт(H2)
Значения скоростей процессов определены на основе кинетических кривых накопления Н2 при термических и радиационно-термических процессах при различных плотностях времени. На рисунке 2 приведены зависимости скоростей радиационно-термических и термических процессов накопления водорода от плотности паров воды.
а> о
сч" £ о
О)
с
0
1
А. 1
5 О
-1
10
р, мГ/см3
Рис. 2. Зависимости скоростей накопления водорода при термическом (1) и радиационно-термическом (2) процессах разложения воды в контакте с нержавеющей стали при Т=773К, Б=3,33 Гр/с от плотности паров воды.
2
1
Схематически радиационно-термические процессы разложения воды в контакте с металлическими поверхностями можно представить следующим образом. В результате радиационных и термических процессов на поверхности образуются активные центры (Б ) :
Т
Ме ( Б*) (1)
На образующихся активных центрах происходит адсорбция молекул воды с образованием комплексов (Б*- Н20), которые в дальнейшем диссоциируют с образованием Н2:
Б* + Н20г ^ Б* - Н2О (2)
2(Б* - Н2О) ^ 2Б - ОН + Н2 (3)
Образование активных центров (1) при радиационных и термических процессах по сравнению со стадиями (2) и (3) является быстрым процессом, и в первом приближении можно считать, что в начале адсорбции наступает стационарное состояние в процессе генерации активных центров. С учетом (2) и (3) для процесса образования Н2 получим выражение:
, , К • Ь • Рн п Wi (Н2 ) =-^
^ 2) 1 + ЬРно
(4)
где '^(Н2) - скорость образования водорода - молекул-см"2 -сек"1; Ь - константа адсорбционного равновесия на поверхности, рН2О - плотность паров воды. Как видно из экспериментальных кривых, при рН2О > 1 мГ/см3 зависимость носит линейный характер, что свидетельст-
вует о том, что в ЬрН2О<< 1 и Wi(H2)=KbpH20, а при ЬрН2О >3 Wi(H2)= const и скорость процесса не зависит от плотности паров воды.
Рис. 3. Влияние мощности дозы облучения на процессы накопления молекулярного водорода при радиационно-термических процессах разложения воды в контакте с нержавеющей стали при Т=773К и р=5 мГ/см3; а)-кинетические кривые накопления Н2 в I-области; 1 - термический; 2 - радиационно-термический при В =0,13 Гр/с; 3 -В = 1,42 Гр/с; 4 -В = 2,10 Гр/с; 5 - В= 3,33 Гр/с; б) зависимость Ж(И2) = /(В).
Влияние мощности излучения изучено при разных значениях параметров Т = 773К, рН2О = 5 мГ/см3. При каждом значении мощности излучения изучена кинетика накопления молекулярного водорода (рис. 3б). На основе начальных линейных участков кривых определены значения скоростей процессов. На рис. 3а представлена зависимость '^(Н2)= А(О). Как видно из зависимости в области значений Б= 2^4 Гр/с кривая стремится к насыщению. Стационарная область кинетических кривых радиационно-термических процессов накопления Н2 наблюдается также при больших дозах облучения. Наблюдаемую
область насыщения в зависимости Wi(H2)= f(D) можно объяснить наступлением равновесия между процессами генерации и рекомби
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.