Теплофизические и поверхностные свойства лития и сплавов литий-натрий, натрий-калий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Афаунова, Лиана Хазреталиевна

• Афаунова, Лиана Хазреталиевна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Афаунова, Лиана Хазреталиевна

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ЛИТИЯ, НАТРИЯ, КАЛИЯИИХБИНАРНЫХ СПЛАВОВ.

1.1. Обзор исследований плотности лития, натрия, калия и их двойных сплавов.

1.2. Результаты исследований поверхностного натяжения лития, натрия, калия и их двойных сплавов.

1.3. Обзор литературных данных работы выхода электрона лития, натрия, калия и их сплавов.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НОВЫХ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРИБОРОВ И МЕТОДОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ.

2.1. Выбор методов и особенности измерений плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона щелочных металлов и сплавов.

2.2. Прибор для совместного определения плотности и поверхностного натяжения жидкометаллических расплавов.

2.3. Прибор для измерения теплофизических характеристик металлов и сплавов.

2.4. Прибор для изучения теплофизических характеристик жидкометаллических расплавов с участием лития.

2.5. Прибор для изучения поверхностного натяжения жидкометаллических расплавов с участием компонентов с повышенной упругостью собственных насыщенных паров.

2.6. Оценка погрешностей измерений плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОТНОСТИ, ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ЧИСТОГО ЛИТИЯ И КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ СПЛАВОВ НАТРИЙ-КАЛИЙ И ЛИТИЙ-НАІРИЙ.

3.1. Экспериментальная установка для измерения плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона щелочных металлов и их сплавов.

3.2. Диаграммы состояния бинарных систем натрий-калий и литий-натрий.

3.3. Методика приготовления образцов и заправки измерительных ячеек.

3.4. Результаты исследований температурных и концентрационных зависимостей плотности и молярных объемов лития и сплавов литий-натрий.

3.5. Результаты исследований температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения лития и сплавов литий-натрий и натрий-калий.

3.6. Результаты измерений температурных и концентрационных зависимостей работы выхода электрона лития и сплавов литий-натрий.

ГЛАВА 4. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СПЛАВОВ НАТТИЙ-КАЛИЙ И ЛИТИЙ-НАТРИЙ.

4.1. Компьютерная реализация расчетов адсорбции компонентов в металлических расплавах в пакете «МаШСАГ)».

4.2. Расчеты адсорбции и предельных поверхностных активностей компонентов в бинарных сплавах натрий-калий и литий-натрий.

4.3. Оценка толщины и составов поверхностных слоев сплавов натрий-калий.

Принятые обозначения и сокращения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплофизические и поверхностные свойства лития и сплавов литий-натрий, натрий-калий»

Актуальность темы. Литий и его сплавы считаются материалами XXI века, использование которых позволит решить ряд принципиальных вопросов создания высокоэффективного энергетического термоядерного реактора. Чистый литий используется как тритий-воспроизводящее вещество и о теплоноситель в современных ядерных, а в перспективе - и в термоядерных установках при условии решения вопросов его совместимости с материалами и плазмой реактора токамака [1-7].

Применение лития и его сплавов как наиболее перспективных высокотемпературных теплоносителей обусловлено высокой критической температурой и низкими температурами плавления. В высокотемпературных реакторах целесообразно применять жидкометаллические теплоносители, позволяющие отводить тепло из реактора на сравнительно высоком температурном уровне при малых давлениях, что позволяет существенно повысить КПД ядерной энергетической установки, а также теплосъем с о коллекторного пакета термоэмиссионного электрогенерирующего канала [8,9]. Наиболее отчетливо преимущество лития проявляется при создании ядерных энергоустановок транспортного и космического назначения [10]. Кроме того, некоторые теплоносители (например, натрий) обладают меньшим, по сравнению с водой, сечением захвата нейтронов, что также является немаловажным обстоятельством [4,8]. В связи с этим актуальной задачей является комплексное исследование теплофизических свойств сплавов с участием лития, натрия, калия, таких как плотность (/?), поверхностное натяжение (сг, ПН) и работа выхода электрона РВЭ), являющиеся важнейшими энергетическими параметрами вещества. Между тем данные по плотности, ПН и РВЭ лития и его сплавов с натрием весьма малочисленны и противоречивы, что объясняется большими экспериментальными трудностями исследования высокоактивных щелочных металлов и их сплавов, недоработками методического характера и отсутствием достаточно совершенных приборов и устройств для их изучения. В связи с этим в настоящей работе, посвященной экспериментальному изучению температурных и концентрационных зависимостей плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона лития и сплавов бинарных систем литий-натрий и натрий-калий, а также расчетам ряда термодинамических характеристик поверхностей этих сплавов, вопросам разработки и создания новых приборов и устройств для изучения теплофизических свойств щелочных металлов и сплавов уделяется значительное внимание.

Цель работы — экспериментальные исследования плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона лития и сплавов систем литий-натрий, натрий-калий с использованием разработанных и созданных новых приборов для определения поверхностных и теплофизических свойств щелочных металлов, а также расчет термодинамических характеристик поверхностей изученных систем.

В рамках поставленной цели решались задачи: о

1. Модернизация экспериментальной установки и разработка новых устройств и приборов для изучения теплофизических свойств (плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона) щелочных металлов и их сплавов.

2. Определение плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона чистого лития.

3. Исследование температурных и концентрационных зависимостей плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона сплавов о литий-натрий и натрий-калий.

4. Расчет адсорбции компонентов систем литий-натрий и натрий-калий и оценка состава и толщины поверхностного слоя сплавов натрий-калий.

Научная новизна полученных результатов

1. Разработаны и созданы новые приборы и устройства, позволяющие осуществлять прецизионные измерения теплофизических и поверхностных свойств расплавов щелочных металлов с участием лития в условиях сверхвысокого статического вакуума, защищенные авторскими свидетельствами на изобретения.

2. Получены новые данные о плотности, поверхностном натяжении и работе выхода электрона лития технической чистоты и в зависимости от степени дополнительной очистки. Показано, что в результате вакуумной дистилляции и повышения степени чистоты работа выхода электрона лития существенным образом повышается.

3. Впервые получены данные по концентрационной зависимости поверхностного натяжения жидких сплавов натрия на основе лития. Показано, что натрий проявляет значительную поверхностную активность в области составов с содержанием до 8-10 ат. % натрия в литии.

4. Впервые также получены данные о концентрационной зависимости работы выхода электрона жидких литиевых сплавов с натрием.

5. Впервые по °формуле «1М»-варианта Гуггенгейма-Адама получены значения адсорбции и предельной поверхностной активности натрия в жидких сплавах с литием. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с критериями поверхностной активности компонентов в бинарных металлических расплавах.

6. Исходя из термодинамической теории устойчивости поверхностных слоев металлических сплавов в отношении их толщины, рассчитаны и оценены составы и число атомных монослоев калия в сплавах Показано, что поверхностный слой сплавов Ыа-К при Т = 385 ^термодинамически устойчив при толщине поверхностного слоя, равной двум монослоям калия.

Практическая ценность результатов

Приборы и устройства, разработанные и усовершенствованные соискателем, открывают новые возможности для исследований перспективного класса сплавов с участием лития, позволяют повысить точность и надежность получаемых результатов, экономить расходные материалы и ускорить исследования. Об этом свидетельствуют полученные Патенты на изобретения и успешное практическое использование разработанных приборов при выполнении с участием соискателя ряда Грантов РФФИ по темам: «Плотность, поверхностное натяжение, работа выхода электрона лития и его эвтектического сплава со свинцом и смачиваемость ими конструкционных материалов» Проект № 06-02-96628-рюг РФФИ (2006-2007 гг.); «Теплофизические свойства лития и его расслаивающихся сплавов с натрием и калием. Проект № 09-08-96531-рюг, РФФИ (2009-2010 гг.), а также «Теплофизические свойства сплавов тройной системы литий-свинец-висмут» Проект № 13-08-0021-а РФФИ (2013-2015 гг.).

Данные по плотности, поверхностному натяжению и работе выхода электрона лития и бинарных сплавов литий-натрий, натрий-калий могут быть использованы при технических разработках ядерных, а в перспективе и о термоядерных энергетических установок; они также восполняют и уточняют имеющийся справочный материал по теплофизическим свойствам веществ и материалов.

Полученные впервые результаты термодинамических свойств поверхностных слоев изученной системы литий-натрий и уточненные данные системы натрий-калий представляют значительный интерес для дальнейшего развития теории поверхностных явлений в металлах и сплавах.

Методология и методы исследования о

Изучение плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона лития и его сплавов с. натрием затруднено, что связано с особенностями свойств щелочных металлов и их сплавов, недоработками методического характера и отсутствием достаточно совершенных приборов и устройств для их изучения.

В работе для определения плотности и поверхностного натяжения использовались метод «большой» капли, основными достоинствами которого являются его статичность, независимость результатов измерения от угла смачивания, а для изучения работы выхода электрона - фотоэлектрический метод Фаулера: наиболее точный, применимый в широкой области температур и, что особенно важно, дающий абсолютное значение работы выхода электрона и лучше остальных методов подходящий для исследования ч щелочных металлов и их сплавов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные конструкции новых приборов и устройств для изучения теплофизических и поверхностных свойств высокоактивных щелочных металлов и их сплавов, в том числе и с участием лития.

2. Новые данные о концентрационных зависимостях плотности и мольных объемов лития и сплавов литий-натрий.

3. Политермы поверхностного натяжения лития, а также экспериментальные данные о концентрационных зависимостях поверхностного натяжения сплавов литий-натрий и натрий-калий и их особенностях.

4. Экспериментальные данные о концентрационной зависимости работы выхода электрона сплавов литий-натрий, из которых следует, что наличие на диаграммах состояния изученных систем эвтектические точки не находят отражения на концентрационных зависимостях поверхностного натяжения и работе выхода электрона.

5. Закономерности и особенности адсорбционных процессов в сплавах литий-натрий и натрий-калий.

6. Новые данные о термодинамических характеристиках поверхностного слоя сплавов натрий-калий.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными теоретическими и экспериментальными данными, в частности с критериями поверхностной активности компонентов в бинарных жидкометаллических расплавах.

Приборы, с помощью которых получены экспериментальные результаты, прошли поверку метрологической службы КБГУ. о

Результаты, полученные в диссертационной работе, физически обоснованы и не противоречат современным представлениям физикохимии поверхности.

Соответствие диссертации Паспорту научной специальности

Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника», определяющей фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах.

Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1 и 2 Паспорта специальности 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника».

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации

Диссертация является итогом самостоятельной работы автора, обобщающей полученные им и в соавторстве с сотрудниками лаборатории физики межфазных явлений результаты.

Задачи разработки новых приборов и устройств и экспериментального изучения с их использованием плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона 1Л и сплавов 1л-Ка, №-К поставлены научным руководителем Алчагировым Б.Б., который принимал участие в обсуждении полученных результатов.

Разработка и отладка компьютерных программ для автоматизированной обработки экспериментальных данных и расчетов адсорбции компонентов и термодинамических характеристик поверхностей изученных сплавов №-К и Ы-Ыа проведены совместно с Дышековой Ф.Ф.

Все остальные результаты получены автором лично.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации о докладывались: на Межведомственном семинаре «Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей» (Теплофизика - 2009, Обнинск, 28-30 октября 2009 г.); Межотраслевом семинаре «Тяжелые жидкометаллические теплоносители в быстрых реакторах» (Теплофизика-2010, Обнинск, 20-22 октября 2010 г.); Всероссийской научной школе для молодежи «Теплофизика реакторов на быстрых нейтронах» (Обнинск, 13-17 сентября 2010 г.); 3-м Всероссийском семинаре «Физикохимия поверхностей и наноразмерных систем» (Москва, 2-3 февраля 2011 г.); XIII Российской конференции по о теплофизическим свойствам веществ (с международным участием) (Новосибирск, 28 июня - І июля 2011 г.); Первом Международном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов» (Ростов на-Дону: п. Лоо, 26 сентября-1 октября 2007 г.); Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2009, 2010» (Нальчик, 2009-2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ» (Санкт-Петербург, 30 ноября - 2 декабря 2010 г.); 4-й Всероссийской и стран-участниц КООМЕТ конференции по проблемам термометрии «Температура - 2011» (Санкт-Петербург, 19-21 апреля 2011 г.); XI Российско-Китайском симпозиуме о

Новые материалы и технологии» (Санкт-Петербург, 10-14 октября 2011 г.); Международном междисциплинарном симпозиуме «Физика поверхностных явлений, межфазных границ и фазовые переходы» (Нальчик - п. Лоо, 18-23 сентября 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ, 12 из них - в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 231 наименований. Она состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения, состоящего из шести таблиц.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Афаунова, Лиана Хазреталиевна

Выводы

1. Разработаны и созданы новые приборы и устройства, позволившие осуществить прецизионные измерения теплофизических и поверхностных свойств расплавов щелочных металлов, в том числе с участием лития, в условиях сверхвысокого статического вакуума, два из которых защищены авторскими свидетельствами.

2. Получены новые данные о плотности, поверхностном натяжении и работе выхода электрона дополнительно очищенного лития технической чистоты. Показано, что в результате фильтрации жидкого лития через молибденовую сетку и двукратной термической дистилляции в сверхвысоком вакууме РВЭ лития повышается на 10 % (до 2.64 эВ) в сравнении с РВЭ исходного лития технической чистоты (2.38 эВ).

3. Существенно уточнена концентрационная зависимость ПН системы №-К: показано, что на изотерме ПН этой системы отсутствует минимум, ранее отмечавшийся в литературе.

4. Впервые получены данные по концентрационной зависимости поверхностного натяжения жидких сплавов натрия на основе лития. Показано, что наличие эвтектики на диаграмме состояния 1Л-Ка не находит отражения на полученной изотерме ПН.

5. Впервые также получены данные о концентрационной зависимости работы выхода электрона жидких литиевых сплавов с натрием. Показано, что эвтектическая точка на диаграмме состояния не находит отражения на изотерме РВЭ системы литий-натрий.

6. Впервые получены сведения об особенностях адсорбции и предельной поверхностной активности калия в сплавах с натрием и натрия в сплавах с литием. Показано, что натрий проявляет значительную поверхностную активность в сплавах с литием, достигающая максимального значения в области составов с содержанием 7-8 ат. % № в 1л.

7. Исходя из термодинамической теории устойчивости поверхностных слоев металлических сплавов в отношении их толщины, рассчитаны составы и оценено количество атомных поверхностных слоев калия в сплавах №-К. Показано, что поверхностный слой сплавов Ма-К при Т = 385 К термодинамически устойчив, когда в поверхностном слое содержится в избытке около двух монослоев калия. Полученные данные находятся в согласии с основными критериями поверхностной активности компонентов в бинарных металлических расплавах.

Принятые обозначения и сокращения р— плотность с7,; ПН - поверхностное натяжение (р, РВЭ - работа выхода электрона Тт - температура плавления ТК - температурный коэффициент

Г- - адсорбция 1-го компонента х[ - концентрация 1-го компонента в объеме х" - концентрация ¡-го компонента в поверхностном слое со - молярная площадь о

ПМ-пикнометрический метод

МДГП- метод максимального давления в газовом пузырьке ДМ-дилатометрический метод

ДГВ-метод дифференциального гидростатического взвешивания

ПГИ-метод проникающего у-излучения

ВП-метод вытягивания пластины

МВК-метод висящей капли

МК-комбинированный метод

МБК-метод большой капли

ФЭ-фотоэлектрический метод

КРП-метод контактной разности потенциалов

ПЭ-метод полевой эмиссии

ТР-теоретический расчет

ТЭ-термоэмиссионный метод