Термодинамический анализ окисления радиоактивного графита в расплаве Na2CO3–K2CO3–Sb2O3 в атмосфере углекислого газа

Н. М. Барбин, И. А. Сидаш, Д. И. Терентьев, С. Г. Алексеев

АННОТАЦИЯ

В настоящий момент в мире имеются энергетические реакторы, реакторы для производства плутония и исследовательские реакторы, количество которых составляет более 100 шт. Графит в вышеперечисленных реакторах используется в качестве отражателя, замедлителя, а также в качестве оболочек ТВЭЛов. Беспламенное сжигание – перспективный метод сокращения объема твердых радиоактивных отходов. Метод беспламенного сжигания основан на окислении ТРО в оксидно-карбонатных расплавах и позволяет значительно сократить объем радиоактивного графита. Проведе- но термодинамическое моделирование окисления радиоактивного графита в расплаве Na2CO3–K2CO3–Sb2O3 в атмосфере углекислого газа. Для проведения термодинамического анализа использован программный комплекса TERRA. Термодинамическое моделирование проводилось при давлении одна атмосфера, при начальной температуре 273 К и конечной температуре 3273 К. Шаг изменения температуры – 100 К. На основании полученных данных проведен анализ распределения элементов между конденсированной и газовой фазами. Моделирование показывает, что углерод исчезает при температуре 873 К. Нагревание системы до 1073 К приводит к испарению конденсированных соединений сурьмы. Нагревание системы до 1673 К приводит к испарению конденсированных соединений калия, натрия, хлора, урана и цезия. Нагревание системы до 2273 К приводит к испарению конденсированных соединений никеля. Нагревание системы до 2573 К приводит к испарению конденсированных соединений кальция, плутония, бериллия, стронция, америция и европия. При температуре свыше 2573 К присутствует только парогазовая фаза.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

термодинамическое моделирование, радиоактивный графит, радионуклиды, нагревание, окисление, расплав, карбонаты.

DOI: 10.7868/S0235010618030039

Термодинамический анализ окисления радиоактивного графита в расплаве Na2CO3–K2CO3–Sb2O3 в атмосфере аргона

Н. М. Барбин, И. А. Сидаш, Д. И. Терентьев, С. Г. Алексеев.

АННОТАЦИЯ

Графит используется в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. Кроме того, в конструкциях реакторов графит может использоваться в качестве уплотнителей и подшипников. Масса графита в реакторах составляет 1–2 тыс. т. При выводе из эксплуатации графитовых реакторов образуется большое количество радиоактивных графитовых отходов. Существующие методы обращения с радиоактивным графитом основаны на его изолировании от окружающей среды. Данные методы не позволяют существенно уменьшить объем радиоактивных графитовых отходов. В результате чего переработка облученного реакторного графита методом окисления в расплавах солей может рассматриваться как альтернативный способ утилизации, позволяющий сократить объем радиоактивных графитовых отходов. Проведено термодинамическое моделирование окисления радиоактивного графита в расплаве Na2CO3–K2CO3–Sb2O3 в атмосфере аргона. Для проведения термодинамического анализа использован программный комплекс TERRA. На основании полученных данных проведен анализ распределения элементов между конденсированной и газовой фазами. В результате получено, что нагревание системы до 1073 К приводит к испарению конденсированных соединений сурьмы и цезия. Нагревание системы до 1273 К приводит к испарению конденсированных соединений калия, натрия, хлора. Нагревание системы до 1373 К приводит к испарению конденсированных соединений никеля. Нагревание системы до 1673 К приводит к испарению конденсированных соединений урана, кальция и стронция. Нагревание системы до 1773 К приводит к испарению конденсированных соединений плутония, бериллия, америция и европия. При температуре свыше 1773 К присутствует только парогазовая фаза.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

DOI: 10.7868/S0235010618030015

Образование дефектных и метастабильных структур при моделировании фазовых переходов методом кристаллического фазового поля

Д. В. Александров, И. О. Стародумов, Е. В. Павлюк, А. А. Иванов.

АННОТАЦИЯ:

Представлены результаты исследования компьютерного моделирования процессов фазового перехода при затвердевании вещества методом кристаллического фазового поля (Phase Field Crystal: PFC). Для указанного метода представлен безусловно устойчивый численный алгоритм, позволяющий эффективно решать нелинейные дифференциальные уравнения высоких порядков. Благодаря этому методу была создана компьютерная программа, позволяющая производить масштабное моделирование с использованием суперкомпьютеров. Однако, результаты модельных расчетов показали, что метод кристаллического фазового поля может приводить к метастабильным и дефектным решениям даже в тех случаях, которые не могут быть предсказаны натурными экспериментами или теоретическим анализом. В статье приводится анализ причин возникновения таких решений. Авторами формулируется способ дополнительной модификации метода кристаллического фазового поля, которая позволит учесть выявленные эффекты и избежать неверного толкования результатов компьютерного моделирования.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

кристаллическое фазовое поле, кристаллизация, кристаллические структуры, компьютерное моделирование, вычислительные методы.

К теории нуклеации и роста кристаллов в метастабильной области фазового превращения при учете различных кинетических механизмов

Е. В. Маковеева, Д. В. Александров.

АННОТАЦИЯ:

Получено полное аналитическое решение математической модели, описывающей нестационарный процесс нуклеации и роста кристаллов в переохлажденных расплавах и пересыщенных растворах при учете кинетики нуклеации Майера (Meirs) и Вебера–Вольмера–Френкеля–Зельдовича (Weber–Volmer–Frenkel–Zeldovich), а также степенной зависимости скорости роста кристаллитов от переохлаждения или пересыщения системы. Решение задачи основано на применении метода перевала (седловой точки) для вычисления интеграла лапласовского типа. Показано, что для корректного описания эволюции метастабильной системы необходимо учитывать как фундаментальный член метода перевала, так и следующие четыре члена асимптотического разложения. Найденные решения демонстрируют, что степень метастабильности системы уменьшается со временем за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации (или поглощения примеси) растущими кристаллами.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

нуклеация, фазовые превращения, кинетикa роста кристаллов, математическое моделирование.

Коэффициенты массопереноса компонентов нержавеющей стали в агрегате аргонокислородного рафинирования

О. К. Токовой.

АННОТАЦИЯ:

Методом холодного моделирования и промышленными экспериментами на 100-тонном агрегате аргонокислородного рафинирования определены коэффициенты массопереноса основных компонентов нержавеющей стали (углерода, хрома, серы и азота). Результаты, полученные на холодной модели, удовлетворительно совпадают с данными, полученными на промышленном агрегате, и могут быть использованы в математической модели автоматического управления плавкой стали в агрегате АКР.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

агрегат аргонокислородного рафинирования, нержавеющая сталь, коэффициент массопереноса углерода, серы, хрома, азота.

Математическое описание окислительного рафинирования расплава черновой меди

В. П. Жуков, С. И. Холод, В. Г. Лисиенко.

АННОТАЦИЯ:

Анодная плавка черновой меди основана на частичном удалении примесей, обладающих повышенным сродством к кислороду. Процесс централизованного рафинирования на одном предприятии усложняется различным и переменным химическим составам шихты черновой меди поставляемой различными заводами-продуцентами. Поэтому постоянно изменяется средневзвешенный состав жидкого металла в зависимости от каждой загрузки, соответственно, требуется различное количество кислорода для окисления и ошлакования примесей. Целью работы является разработка методологии расчета теоретически потребной концентрации кислорода в расплаве от массы, (т) Cu2O как целевой функции от массы примесей черновой меди.

С использованием метода регрессионного анализа разработана математическая модель аппроксимирующей функции О2 = f(Cu2O), с помощью которой можно оперативно рассчитывать концентрацию кислорода подаваемого в расплав для окислительной стадии огневого рафинирования. По результатам выявленной закономерности построен график зависимости концентрации кислорода в расплаве от массы оксида меди (1).

Математическое описание выполнено на основе среднесуточного состава шихты от четырех заводов-продуцентов.

Алгоритм модели построен на основе пассивного эксперимента, с выбранными допущениями и ограничениями.

Установлено, что описанный алгоритм с применением МНК на платформе прикладного пакета Microsoft Excel и стехиометрических реакций окисления примесей показывает линейную зависимость концентрации кислорода, подаваемого в расплав, от массы оксида меди (1), что свидетельствует об адекватности полученной модели.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

Математическая модель, концентрация кислорода, концентрация примесей, шихта, огневое рафинирование.

Термодинамический анализ окисления радиоактивного графита в многокомпонентном расплаве в инертной атмосфере

Н. М. Барбин, А. М. Кобелев, Д. И. Терентьев, С. Г. Алексеев.

АННОТАЦИЯ:

Среди всей массы накопленных радиоактивных отходов графит занимает особое место. В настоящий момент в мире не существует окончательного принятого решения по проблеме утилизации отработанного графита. При помощи метода термодинамического моделирования исследовано поведение радиоактивного графита в многокомпонентном расплаве CuO–NaCl–KCl–Na2CO3–K2CO3 в атмосфере аргона, в диапазоне температур от 373 до 3273 К. Моделирование проводилось с использованием пакета программ Терра который предназначен для расчета состава фаз, термодинамических и транспортных свойств произвольных систем. Расчет выполнялся с использованием справочной базы данных по свойствам индивидуальных веществ. Так при температуре 1273 К происходит сгорание графита с образованием угарного и углекислого газов. Конденсированные соединения цезия, хлора и урана испаряются при температуре 1573 К. Повышение температуры системы до 1873 К приводит к испарению конденсированного никеля. Конденсированный оксид стронция переходит в парообразное состояние при температуре 2273 К. При температуре 2373 К переходят в парообразное состояние конденсированные соединения плутония, кальция, европия. Конденсированный оксид бериллия переходит в парообразное состояние при температуре 2473 К. Дальнейшее повышение температуры до 2673 К приводит к переходу конденсированного оксида америция (III) в парообразное состояние. В диапазоне температур от 2673 до 3273 К в изолированной системе находится только парогазовая фаза.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

солевой расплав, радиоактивный графит, радионуклиды, окисление, оксид меди, термодинамическое моделирование.