Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 6, стр. 845-847

ВВЕДЕНИЕ

Расплавы свинец–натрий рассматриваются в качестве перспективных теплоносителей для ядерных реакторов на быстрых нейтронах [1]. При этом многие термодинамические свойства системы Pb‒Na изучены недостаточно [1–5], а это затрудняет анализ перспектив использования этих расплавов в качестве охлаждающих жидкостей. Установлено [1], что увеличение содержания щелочных добавок к свинцу улучшает смачивание некоторых реакторных сталей. Однако данных о политермах краевых углов смачивания в литературе немного, и недостаточно данных по плотности и поверхностному натяжению свинцовых сплавов с малым содержанием натрия. Поэтому актуальной задачей является получение надежных данных по поверхностным свойствам данной системы.

Измерение поверхностного натяжения и плотности металлических расплавов проводится, как правило, методом лежащей “большой” капли или методом максимального давления в газовом пузырьке. В последние годы эти методы претерпели модернизацию. Особенно надо отметить метод лежащей, “большой” капли [6], где в исследования внедрены новые информационные технологии, которые использованы и в настоящей работе [7, 8].

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Для изучения температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения сплавы были приготовлены из свинца марки В4 и натрия (99.9%).

Измерения проводили методом лежащей “большой” капли в интервале от температур плавления сплавов Pb–Na до 650°C в атмосфере чистого He марки А (99.995%).

Профиль капли расплава (рис. 1) обрабатывался с помощью программы SigmaC [2].

Рис. 1.

Фотография капли Pb–Nа при 350°C.

Плотность и тепловое расширение системы Na–Pb с малым содержанием свинца изучались в работе [3]. Показано, что с увеличением концентрации Pb плотность расплава повышается.

В работе [4] изучались термические свойства расплавов систем натрий–свинец и калий–свинец с малыми добавками свинца, где выявлано, что особенности поведения мольного объема и коэффициентов теплового расширения расплавов систем натрий–свинец и калий–свинец связаны с тенденцией к образованию интерметаллидов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Результаты измерений представлены на рис. 2, 3. На рис. 2 приведены температурные зависимости плотности расплавов Pb–Na; видно, что в режиме нагревания плотность убывает с увеличением температуры. Увеличение концентрации натрия приводит к снижению плотности расплавов.

Рис. 2.

Политермы плотности расплава Pb–Na различной концентрации в режиме нагревания.

Рис. 3.

Политермы поверхностного натяжения расплава Pb–Na различной концентрации в режиме нагревания.

Поверхностное натяжение σ(t) расплавов Pb‒Na в режиме нагревания уменьшается с увеличением температуры (рис. 3).

В интервале концентрации 2.2–4 мас. % на изотермах плотности и поверхностного натяжения при температурах 500 и 650°С наблюдается резкое (до 30%) снижение значений плотности и поверхностного натяжения (рис. 4 и 5).

Рис. 4.

Изотерма плотности системы Pb–Na.

Рис. 5.

Изотерма поверхностного натяжения системы Pb–Na.

В работе [9] была построена концентрационная зависимость поверхностного натяжения системы Pb–Na в интервале концентраций от 0 до 13 ат. % при 125°С. К сожалению, авторы [9] не изучали температурную зависимость исследованных сплавов. Концентрационные зависимости, полученные в [9], описывается уравнением:

Уравнение (1) аналогично выражению, полученному в [10]:

Сравнение (1) и (2) показывает, что если коэффициенты σ₀ и A в этих выражениях зависят лишь от температуры, то коэффициенты B и D зависят также и от концентрации добавляемого компонента.

Исследования сплавов Pb–1.8 мас. % Na и Pb–1.9 мас. % Na, проведенные нами методом рентгено-фотоэлектронной спектроскопии на установке центра коллективного пользования “Физика поверхности, наносистем и технологии наноструктур” – K-ALPHA (полностью интегрированном рентгеновском фотоэлектронном спектрометре (РФЭС) фирмы Thermo Fisher Scientific), показали, что до и после экспериментов существенного изменения концентрации натрия в сплаве не наблюдается.

В ряде работ [3–5] также изучались теплофизические свойства натрия с малым содержанием свинца. Это связано с тем, что при разработке натриевых теплоносителей необходимо повышать их пожаробезопасность, что обеспечивается малыми добавка свинца. В этих работах уточнены данные по плотности сплавов натрий–свинец с высоким содержанием натрия.

На рис. 4, 5 приведены изотермы плотности и поверхностного натяжения системы Pb–Na. Из рисунков видно, что с повышением концентрации натрия плотность и поверхностное натяжение плавно уменьшаются.

ВЫВОДЫ

Методом большой капли в атмосфере гелия проведены исследования концентрационной и температурной зависимостей плотности и поверхностного натяжения свинца и 5 сплавов системы Pb–Na в интервале температур от 350 до 650°С.

Малые добавки натрия (до 4 мас. %) к свинцу значительно снижают плотность и поверхностное натяжение свинца. Ход политерм плотности и поверхностного натяжения указывает на отрицательный температурный коэффициент. Для сплавов Pb–Na при концентрации 4 мас. % Na на изотермах плотности имеет место заметное (от 5 до 7.5%) уменьшение их значений.