автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Сорбционная очистка жидкометаллических теплоносителей ядерных установок

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ -ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. академика А. И. ЛЕЙПУНСКОГО

На правах: рукописи УДК: «21.039.534.6

Асхадуллин Р

СОРБЦИОННАЯ ОЧИСТКА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК (ГАЛЛИИ, СВИНЕЦ-ВИСМУТ, СВИНЕЦ)

05.14.03 — Ядерные энергетические установки

сМг

\и

1 Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Обнинск — 1997

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации — Физико-энергетическом институте имени академика А. И. Лейпунского (ГНЦ РФ-ФЭИ).

Научный руководитель:

д. т. н., с. и. с. П. Н. Мартынов

Официальные оппоненты:

д. т. н., проф. А. В. Безносое (НГТУ, Н. Новгород);

д. т. н., проф. Г. И. Тошинский (ГНЦ РФ-ФЭИ, Обнинск).

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А. А. Бочвара (ВНИИНМ), Москва.

Защита состоится « 'г! . г. в 10 часов

на заседании диссертационного совета Д-034.10.01 Государственного научного центра Российской Федерации — Физико-энергетического института им. академика А. И. Лейпунского по адресу: 243020, Калужская обл., г. Обнинск, пл. Бондарен-ко, 1, Главный корпус, малый конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ГНЦ РФ - ФЭИ им. академика А. И. Лейпунского.

Автореферат разослан « {О»

Ученый секретарь диссертационного

совета, к. ф.-м. н.

i. окщля хлглк1г:1'11С1нкл рлвоты

Актуальность темы. В настоящее время разрабатывается целим ряд проектов перспективных систем получения и преобразования энергии, в которых в качестве теплоносителя или рабочего тела предлагается использование жидких свинца, свинца-висмута и галлия. К таким проектам относятся:

- реакторы повышенной или предельной безопасности (БРЕСТ, КРУС, БГС -300 и др.), охлаждаемые сплавами на основе свинца;

- термоядерные реакторы (ТОКАМАК, ITER), охлаждаемые галлием:

- электроядерные установки для трансмутации радиоактивных о ¡ходов с жид-кометаллическими мишенями из галлия, свинца-висмута.

Практически все они представляют из себя замкнутые неизотермические системы с циркуляцией жидкой металлической среды.

Как показал опыт использования свинцово-вйсмутового теплоносителя в ядерно-энергетических установках специального назначения, циркулирующая жидкая среда неизбежно загрязняется примесями. Примеси образуются вследствие протекания коррозиоНно-эрозионных процессов при контакте жидкого металла с конструкционными материалами, вследствие окисления жидкого металла на воздухе при разгермегшаштях системы so время проведения технологических и ремонтных операций. Примеси могут образовываться также при взаимодействии расплава металла с маслом насосов, при облучении нейтронами и т д.

Необходимо отметить, что в перспективных проектах предполагается длительная (в течение многих лет) непрерывная работа реакторов. Поэтому, даже если процессы образования примесей будут протекать очень слабо, возможно с течением времени существенное загрязнение жилкой среды, препятствующее дальнейшей нормальной эксплуатации рассматриваемых установок.

Нормальная эксплуатация установки может стать невозможной из-за изменения физико-химических свойств жидкого металла (коррозионная аы ив-пость, повышение радиоактивности контура охлаждения реактора) или ухудшения зеплошлравличеекмх характеристик циркуляционного кошура вследствие пысаждепия примесей на его внутренних поверхностях.

Существующие штатные мегоды поддержания чистоты расплавов галлия, свинца и свинца-висмута в циркуляционном контуре (окислительное рафинирование, механическое фильтрование, водородная регенерация и др.) кс-

достаточно эффективны в отношении электроположительных (неокисляемых) и иктерметаллидообразующих примесей, присутствующих в теплоносителях соответственно в растворенной и высокодисперсной формах.

Так, например, для свинца и свинца-висмута актуальной задачей является разработка нового метода извлечения неокисляемых примесей Ро, Те, Си и др. Полоний, образующийся в данных теплоносителях (из висмута, являющегося в них макрокомпонентом или примесью) при прохождении нейтронных потоков, обладает длительной а -активностью (период полураспада - 138,4 суг), что неблагоприятно влияет на общую радиационную безопасность эксплуатации установки. Теллур и медь, попадая в свинец или свинец-висмут, способствуют повышению коррозионной активности теплоносителя в отношении конструкционных материалов.

Для галлиевого теплоносителя актуальна задача извлечения электроположительных растворенных примесей Си, РЬ, Ы, Бд, 1а, ухудшающих стойкость конструкционных материалов в рассматриваемом жидком металле. Для очистки галлия от растворенных и высокодисперсных примесей также требуется разработка специального метода. . \

В диссертации в основном рассматривается вопрос об эффективности метода сорбционного фильтрования для очистки галлия от растворенных и высокодисперсных примесей.

Разработка нового процесса для очистки галлия от примесей, труднога-влекаемых уже существующими методами (окислительное рафинирование, механическое фильтрование, вакуум-термическая обработка и др.), позволит повысить эффективность контурной технологии данною теплоносителя в целом. Закономерности, полученные в ходе обобщения результатов исследований автора по сорбиионной очистке галлия и известных данных по подобному извлечению растворенных примесей из расплава натрия, имеют важное значение для разработки сорбциопных процессов очистки свинецсодержащнх теплоносителей.

Целями работы явились:

- исследование процесса сорбцноиной очистки галлия;

- обобщение полученных данных с известными результатами подобного рафинирования натрия применительно к разработке сорбционнмх процессов

очистки свинцового и свинцово-висмутового теплоносителей ядерных установок.

Научная новизна работы:

1. Получены результаты по извлечению электроположительных примесей ш галлня ш твердых сорбентах, на основании чего предложен новый способ ичцсгки.динного металла

2 Впервые изучены кинетические и равновесные характеристики сорб-ционного фильтрования галлия в динамических условиях.

3. Впервые применена методика исследования сорбционных характеристик твердых поглотителей примесей из среды жидкого галлия.

Практическое значение:

1. Полученные результаты по сорбционной очистке галлия позволили определить лучшие сорбенты для рафинирован)« данного теплоносителя от растворенных и высокодисперсных примесей, рассчитать сорбционный фильтр (сорбер) и установить оптимальные условия проведения процесса (расход и кратность циркуляции жилкою металла через сорбер, оптимальная температура, соотношение масс Т11ер;юю поглоппеля ттримесей и очищаемого метал т)

1 Обобщение кшютческих и равновесных закономерностей сорб-ционнпй очистки га.тлия и штрия пошолила предложить схему ратработки аналогичных процессов для свинца и свинца-висмута.

Льгор

1. Меюдику отбора сорбц^ннцих мажриалов для ;клдкоме1 а.тличееког о теплоносителя (на примере галлия).

2 Метлику исследования кинетических и равновесных характеристик лучшего сорбента (енликагеля КСМ-О) для очистки жидкого галлия.

3. Результаты исследования очистки галлня енлнкагелем КСМ-б н стеклотканью МКТТ-2.2.Л.

I Счемч' рафаботки сорбционно! о процесса .ия жилкою металла

Апробации работы. Основные ре^льглы диссертации были проставлены на конференциях "Тенлофишка - 43, 44", научных семиндрах теоло-фншческого отделения ГПЦ 1'Ф - ФЭИ. Практическое применение регулы*™» работы нашло о траление во включении разработанного процесс» в натурную технологию очистки галлня, развиваемую » Г1Щ РФ - ФЭИ с 1990 г, г шдс

при исследовании сорбционных процессов очистки в свинецсодержащих теплоносителях.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит ш введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа содержит 161 страниц)', в том числе 31 таблицу, 13 рисунков и 95 наименований цитируемой литературы.

Личный вклад автора. Автором лично и при его непосредственном участии проведен теоретический анализ, разработаны методики проведения экспериментов, а такке созданы экспериментальные установки, провезены эксперименты и обработка экспериментальных данных.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введен»» покажиа актуальность работы и изложены цели исследования.

В пеппой главе проведен анализ следующих вопросов:

- состояния прт1есей а жидких галлии, свинце и аишцс-висыуте а диапазонах температур их предполагаемого применения в ядерных установках (40-300"С, 350-600!'С, 150-600°С, соответственно);

- эффективности и недостаточности уже разработанных методов предварительной и штатной очистки жидкометаллическнх теплоносителей (Оа, РЬ, РЬ-В]) (зонная плавка, фракционная кристаллизация, электролитическое рафинирование, кислотно-щелочная обработка, галогеннровлние, окислительное рафинирование, водородная регенерация, механическое фильтрование, вакуум-термиче-ская обработка, геттерная очистка, отстаивание, очистка «холодными ловушками» );

- основ сорбционной очистки в растворах;

- характеристик основных видов сорбентов;

- сведений о применении метода сорбционного фильтрования для очистки натрия.

На основании этого анализа далее в этой главе обоснована необходимость разработки сорбционного процесса для очистки галдиевою. свинцового и свнниово-висмугового теплоносителей от содержащихся в ник в растворенной или высокодисиерсной икгеряеталлндпой формах электроположикльныч примесей, а также сформулированы требования к сорбентам и сорбшюшшму

(>

процессу для рафинирования рассматриваемых жидких металлов я услотчт герметичного циркуляционного ко(пура.

Общими требованиями к сорСгтам для котпурной очистки жмлгом" таллнческих теплоносителей являются.

- термомечяническая прочность;

- коррозионная стойкость;

- смачиваемость (жидким металлом);

- способность обеспечить необходимую глубину и полноту очистки жидкого металла от растворенных и высокодисперсных примесей;

- высокая емкость по улавливаемым примесям;

- малое гидравлическое сопротивление при достаточно высокой пропускной способности;

- радиационная стойкость;

- экономичность;

- ретемсрируемость

Общими требованиями к непосредственно процессу сорбционной очистки жидкометаллических теплоносителей являются:

- возможность осуществления в режимах пкештуяташтн циркуляционных жидкометаллических контуров;

- зффектнвное глубокое извлечение га жидкого металла растворенных и высп-кодисперсных примесей, трудновыводимых другими методами его очистки;

- возможность утилизации ралнонуклноиых примесей;

- возможность проведения одновременно или последовательно с остальными процессами контурной очистки жидких металлов.

В заключении первой главы сформулирована основная задача диссертационной работы: разработать процесс сорбционной очистки галлия в циркуляционном контуре, установить обшие закономерности сорбштонного фильтрования галлия (результаты собственных исследований) и натрия (известные данные) для последующей разработки аналогичных процессов рафинирования смтецсодержашнх теплоносителей ядерных установок.

Вторая глав» посвящена исследованию процесса сорбционной о'тетки

галлия.

Здесь уточнены некоторые требования к сорбе!Тгам для рафинирования галлневого теплоносителя (термомеха ническая прочность до 300°С, в т.ч. и при

гндроиспытаниях до 2,5 атм; коррозионная стойкость до 30()"С; способность обеспечить очистку жидкого металла от растворенных и высокодисперсных примесей до общего остаточного уровня их содержания - п-10"1 % мае.).

На основании литературного поиска, термомеханических испытаний и расчета коррозионной стойкости в среде жидкого галлия произведен предварительный отбор сорбирующих материалов для рафинирования галлия. В числе предварительно отобранных материалов находились: алюмогель АГ-) 100, активный оксид алюминия, аэрогель АЮОН, активированный уголь БАУ, сили-кагель КСМ-б, оксид циркония, карденрит, нитрид титана, цеолит СаА, цеолит СаХ, пирографит МПГ-6, стеклоткань МКТТ-2.2.А, стеклоткань - двухремш-ный сатин, стеклоткань - четырехремюный сатин, ткань ОТФ-1 («белый окса-лон»), ткань ОТФ-2 («желтый оксалон») иутлеткань «Урал-ТМ/4».

Сравнительные испытания предварительно отобранных материалов на предмет определения их сорбирующих и гидравлических характеристик - второй этап отбора сорбентов для очистки галлия - проводились на установке, схема которой представлена на рис.1, в одинаковых динамических условиях (соотно-шение масс сорбирующего материала и галлия - 1/1200; температура жидкого металла - 40°С; перепад давления на фильтре - 0,4 атм; контролируемое гфимеси в очищаемом металле (М& Сг, Си, РЬ, ВЦ Эп и 1п), исходное содержание контролируемых примесей - п-10"3 % мае.; количество циклов дискретного фильтрования - 15). По результатам сравнительных испытаний сорбирующих материалов в среде жидкого галлия установлено, что в целом лучшими по сорбирующей и гидравлической характеристикам являются силикагелъ КСМ-б и многослойная кремнеземная текстур ированшя ткань МКТТ-2,2.А. Первый го них оказался наиболее эффективным для сорбционного рафинирования галлия от растворенных примесей (М§, Си, РЬ, ВЦ Бп, 1п), а вторая - для очистки металла от примеси Сг, находившейся в галлии в составе высокодисперсного интерметаллида СгСа^.

Далее экспериментально обосновано примененне стеклоткани МКТТ-2,2.А для рафинирования галлиевого теплоносителя, циркурирующего по замкнутому контуру (см. рис.2), от высокодисперсных окисляемых и шггерметалли-дообразующнх примесей (А1, Mg, Сг, Мд, Ре). В рассматриваемом эксперименте соотношение масс стеклоткани МКТТ-2,2.А и галлия, содержащего в исходном состоянии по п-10"4 % мае. контролируемых примесей, составляло 1.2860, рас-

ход жидкого металла через фильтр - 0,3 м*/ч, температура галлия - 40°С, общее время процесса - 175 ч Результаты контурного испытания стеклотканного сорбирующего материала, представленные в таблицах 1 и 2, подтвердили его высокую удерживающую способность а отношении рассматриваемых примесей галлия, а также позволили установить достаточное время для кошурной очистки металла (5,5 ч) Автором рекомендовано использование стеклоткани МК1Т-2,2 Л для адгезионной очиегки гадлия от высокодисперсных примесей. При этом предложено для более полною рафинировании металла использовать комбинированный сорбциониый фильтр: например, при циркуляции жидкого галлия через фильтр «сверху - вши» находящийся выше стеклотканевый материал за счет адгезии очистит металлический расплав от полвдисперсной примесной фазы, а расположенный ниже ешшкагель КСМ-6 обеспечит более тонкое рафинирование галлия от растворенных примесей.

Изучению сорбционных свойств силикагеля КСМ-6, оказавшегося лучшим твердым поглотителем растворенных примесей из галлия по итогам сравнительных испытаний целого ряда сорбирующих материалов, посьяшена большая часть второй главы диссертации.

Для получения представления о закономерностях и оптимальных условиях осуществления сорбшюнного фильтрования жидкого галлия силикагелем КСМ-6 автор привел следующее экспериментально-расчетное исследоватте.

Эксперименты по пепьгганшо силикагеля КСМ-6 в различных условиях проведения сорбционной очистки галлиевого расплава (при варьировании уровня температуры, расхода жидкого металла через сорбциониый филыр и соотношения масс сорбента и очищаемого металла) проводились на установке «Фильтрование галлия», схема которой была приведена на рис.1. В качестве исходного металла для экспериментов использовали галлий с исходным содержанием растворешгых в нем примесей Си, 1'Ь, В) и Ян на уровне п-10'3 % мае.

Обработка полученных экспериментальных данных позволила установить следующие закономерности и оптимальные условия проведения процесса сорбииониого фильтрования галлия.

Полученные результаты по кинетике сорбции электроположительных примесей из галлиевого расплава удовлетворительно описываются зависимостями:

для убыли примеси в жидком металле при его очистке -

1 С - Ср = (С0 - Ср) • е1\ (1)

для накопления примеси в сорбенте -

а ар (1-еП (2)

где С, Со и Ср- соответственно текущее, начальное и равновесное (остаточное) содержание примеси в галлии, % мае.; а и ар- соответственна текущее и равновесное содержание примеси в сорбенте, % мае.; к - константа скорости сорбции, с"'; т - продолжительность процесса, с.

При сопоставлении данных анализа примесного состава проб сорбента и галлия, отобранных в ходе проведенных экспериментов, установлено, что полученные значения С (Ср) и а (ар) коррелируют между собой в соответствии с уравнениями материального баланса примесей:

ы ■ а = Со - С, (3)

а ■ ар=Со- Ср, (4)

где а - соотношение масс сорбента и очищаемого металла.

Вид установленных выражений для скорости убыли примесей в галлии и накопления ах в силикагеле КСМ-6 для исследованного процесса без постоянного источника примесей в очищаемом жидком металле соответствует уравне-

ниям кинетики сорбции первого порядка:

йа / йт = к / а ■ (С - Ср), (5)

да I йт = к • (ар - а), (6)

аС/(1т = -к-(С-Ср). (7)

Обработка данных в координатах 1п [(С - Ср) / (С0 - Ср)] - т позволила установить значения кинетических констант скорости сорбции к.

Анализ кинетических и равновесных характеристик сорбционного фильт-рования галлия силикагелем, осуществленного при постоянных значениях температуры (40°С), соотношения масс сорбента и жидкого металла (1/400), исходного содержания примесей в галлии (Со011 - 2,0-10'3 % мае., Со"1 = Со5" = 5,0-Ю"3 % мае. и Со8' = 3,0-Ю'3 % мае.), но разных значениях расхода жидкого металла через сорбер (3,3-10"*, 5,б-10'6 и 8,4-10'*' м'/с), позволил установить оптимальную величину последнего, 0„„г, для осуществления рассматриваемого

процесса в установке «Фильтрование галлия». Па рис.3 в качестве примера приведены кинетические кривые убыли в галлнн примеси меди 1трн только что укатанных условиях его очистки. П> укатанных 1ависимостей очевидно, что при шачентш У 7 (}„„,= 5,6-10'' м'/с сорбционная очистка та.члня оказывается более эффективной (достигается меньшее значение Сг)

По зависимостям равновесной емкости аг силикат едя КСМ-6 по мели, свинцу, висмуту и олову от равновесных содержаний данных примесей в галлии Ср (изотермы сорбции) для трех температур (40, 50 и 80ПС), расхода О-,- ~ 5,6-КГ6 м'/с и трех -значений соотношения масс сорбента и металла (1 '200, 1,400 и 1/800) автором сделан вывод, что сорбционный процесс очистки наиболее эффективно осуществляется при меньшей температуре (40°С), при этом достаточным соотношением масс используемого сорбента и очищаемого металла является значение а = 1/400.

В качестве примера, иллюстрирующего достаточносгъ а = 1/400 для сорбционного фильтрования галлия в указанных выше условиях, на рис.4 представлены изотермы сорбции олова снлихагелем КСМ-б при 40ПС.

Изотермы сорбщш Си, РЬ, Вт и йп из таллия силикателем КСМ-6, полученные при осуществлении очистки жидкого металла при а - ал„, -- 1/400 и О ~ Q^mr - 5,610'* м'/с и I = 40, 50 и 80°С, представлены на рис. 5-8 Анализ данных изотерм для сорбщюнтюго фильтрования таллия от растворенных примесей выявил следующие общие замечания.

Во-первых, сорбштоиная емкостъ силикагеля КСМ-6 по извлечению электроположительных примесей из галлия ограничена: при увеличении исходного содержания (Со) Си, РЬ, Вт и в очищаемом металле рост их равновес-погп caдq)жaния в сорбенте происходит лишь до некоторого значения ар"" , далее наступает насыщение сорбента и последующее увеличение С» в соответствии с уравнением материального баланса примесей (4) приводит только к (м-к:ту равновесного (остаточного) содержания примесей в галлии Ср.

Во-вторых, значения остаточных содержаний примеси в очищаемом сорбцией жтиком металле стремятся к некоторой минимальной величин? Ср""", определяемой, очевидно, неким потенциальным барьером для перехода малого количества примеси даже в «чистый» сорбент.

В-третьих, с ростом температуры процесса емкость силикагеля по примесям падает, а остаточное содержание примесей в галлии возрастает. Это объ-

ясняется повышением интенсивности диффузии примесей в жидкометаллнче-ской среде, приводящим к преобладанию десорбции молекул извлекаемого вещества над их сорбцией (принцип Ле Шателье). Такой ход изотерм сорбции свидетельствует наряду с малым временем установления равновесия (до 30 мин), определенным автором по кинетическим кривым С = Дт), о протекании рассматриваемого процесса очистки галлия силикагелем КСМ-б по механизму фшической сорбции.

Вид изотерм сорбции силикагелем КСМ-б растворенных примесей из галлия - гиперболическая функция:

ар(Ср) = аРт"-1/(Ср-СГ"), (8)

где 1 - константа.

Значения арт" и Срт™, полученные при обработке соответствующих равновесных экспериментальных данных по формуле (8), представлены в таблице 3. По этим данным можно судить о предельной глубине очистки галлия силикагелем КСМ-6 от Си, РК В) и 5п, а также о предпочтительности ювлечения этих примесей из жидкого металла указанным сорбентом. Так, например, при оптимальных условиях проведения рассматриваемого процесса (1=40°С, 0=5,6-10"6 м'/с и сс= 1/400) значения минимального равновесного содержания примесей в очищаемом при помощи силякагеля КСМ-б галлии Ср""п составляют: 4,9-Ю'5 % мае. - для меди; 1,5-Ю"4 % мае. - для свинца; 2,МО"* % мае. - для висмута и мае. - для олова. Предпочтительность извлечения рассматриваемым сорбентом данных примесей из галлия при тех же условиях осуществления сорбционного фильтрования растет в ряду: Си (арт" = 1,31 % мае.), В! (вр"" = 1,345 % мае.), Ба (а™ = 2,29 % мае.), РЬ (а,,"" = 2,39 % мае.).

Авалю И обработка экспериментальных значений кинетических констант к для уравнения скорости сорбции (5), полученных при различных условиях проведения сорбционного фильтрования галлия, выявили следующую зависимость данного параметра от температуры (0, исходного содержания примесей в очищаемом металле (Со), емкости сорбента по извлекаемым примесям (а,), соотношения масс силикагеля и очищаемого галлия (а) и кратности фильтрования (отношения расхода металла 0 к его объему V):

к = Ьд/У-(Со-Ср)/С„ (9)

или с учетом выражения (4)

к = Ь • <3 / V ■ а • ар / С,,, ( Ш)

ик* 1. • ымилата, Ср- равновесное (остаточное) содержание примеси, % мае., зависящее от температуры

Рассчитанные значения постоянных I. для сорбционного извлечения из таллия примесей Си, РЬ, В! и 8п составляют соответственно. 0,02; 0,05, 0,025 и 0,0-)5. Очевидно, найденные константы должны сохраняться ив случае сорбци-онной о'Ш1.1 ки галлиевого теплоносителя в условиях любого циркуляционного контура без постоянною источника примесей.

Тегшогы сорбции (}<:, выделяемые в исследуемом процессе, определялись по достигаемым значениям к в соответствии с выражением

е • (11)

где к„- ц>едзкспоненциальный множитель; И = 8,314 Дж/(моль-К) - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К.

Полученные величины тешют сорбции приведены в таблице 4 С учетом дискриминации величин далеко отстоящих от других определяемых значений этого параметра. установлено, 'по теплоты сорбции меди и висмута находятся на уровне < 1 ккал/моль, олова - ()с= 1,8 - 5,3 кка.т'моль и свинца 0С = 0,8 - 2,1 ккал/моль. Значения полученных теплот сорбции растворенных примесей из галлиевого расплава силикагелем КСМ-6 подтверждают сделанное выше заключение о протекании рассматриваемого процесса по механшму физической сорбции, так как уровень теплот, выделяющихся при хемосорбции, может находиться выше 200 ккпл.-'моль.

В целом полученные в диссертации величины теплот сорбции, предельных равновесных емкостей силикагеля КСМ-б по извлекаемым ю галлия примесям и констант в уравнениях (9,,10) коррелируют между собой. Экспериментально установленное предпочтение рассматриваемого сорбента по сорб-шш из галлия примесей Си, РЬ, В1 и Бп соответствует их известному положению в ряду возрастания поверхностной активности в очищаемом металле.

Автором на основашш результатов сорбциопной очистки галлия при помощи силикагеля КСМ-б, а также цеолита СаХ и аэрогеля А!ООН установлено, что процесс физической сорбции примесей из галлия при помощи твердых поглотителей имеет место при температурах нда^е 100°С.

П

В заключении главы 2 рассмотрен вопрос об экономичности использования силикагеля КСМ-б в качестве сорбента для очистки галлиевого теплоносителя. Здесь отпечено следующее.

Во-первых, эффективность силикагеля по извлечению электроположительных примесей из жидкого галлия достаточно высока: ар"" - 70 мг/г, с учетом этого, например, для предварительной очистки 100 кг галлия, содержащего примеси Си, РЬ, Ш и 8п на уровне п-Ю'1 % мае., необходимая масса разовой загрузки данного сорбента составит 250 г (при достаточном соотношение масс силикателя и галлия - а = 1/400).

Во-вторых, стоимость I кг свежего силикагеля КСМ-6 составляет 14 тыс. руб. (на 01.03.1997.), этого количества сорбента достаточно для предварительной очистки 400 кг галлия. Достигаемый при рафинировании такого количества металла выигрыш в его рыночной цене по меньшей мере в 100 раз больше затрат на приобретение 1 кг свежего силикагеля. Несмотря на то, что силнкагель КСМ-6 можно регенерировать (в диссертации приводится методика востановления сорбционных свойств использовавшегося сорбента посредством выдержки в солянокислой среде при рИ-4 и 1=100"С с последующими промывкой в дистиллированной воде и ступенчатой вакуум-термической обработкой до 200°С), автор считает: регенерациями сорбента можно пренебречь и каждый раз для очистки галлия использовать свежий силикагель КСМ-б.

Глава 3 посвящена практическому приложению результатов исследования сорбционного фильтрования галлия силнкагелем КСМ-б для расчета сорб-ционного фильтра (сорбера) для контурной очистки данного металла. В этом разделе работы приведен пример расчета и испытания сорбера, а также представлены результаты экспериментов по совместной очистке галлиевого теплоносителя предложенным автором методом (сорбционное фильтрование силнкагелем КСМ-б) и уже известными методами (окислительное рафинирование водяным паром, вакуум-термическая обработка, механическая фильтрационная очистка).

Для расчета сорбционного фильтра задавались: объем загружаемого галлия в контуре (Уш ), вид сорбента, схема осуществления процесса, исходное содержание извлекаемых примесей в металле (С0 ), производительность сорбера (0), требуемая глубина очистки (Ср ), значения эмпирических констант Ь (в выражении (9)) и температура осуществления процесса.

Искомыми величинам» для расчета являли^ масса сорбеша, геометрические размеры сорбера и примерная продол/ните.п.носи. олществленця процесса очном! (¡.ч<дк<но металла

Для примера в главе 3 диссертации был нрошведен расчет сорбера С-1. Счема га.ишевосо циркуляционного кошара, включающая укатанное устройст-по очистки жидкого металла, представлена па рис У, '¡иачечна ¡адаоаемых для расчета параметров быт и с i£.<)ioiuh\hi Q 0,3 м'.'ч скорость фильтрования жилкою металла черет слон сорбсчпа - v, =■ 17 см/с (что значение является оптимальным согласно д;11:1.А.;г.) он юра) 1 Ю"С, Vci,= Ч ■ 10"' м1 (при р ~Ь т/см1 и m - 18 Kl), С„ - ¿,U' I0 ' мае , сорбент - сшшкагель КСМ-6 (насыпной вес - 0,87 г/см1, порожне гь в слое -1: - 0,25), Ср"""(-»0°С) = -1,5!0'! % мае. (по данным исследования автора).

Дад расчета необходимой для засыпки в сорбер массы силикагеля КСМ-6 принималось от тыльное соотношение масс сорбеттта и галлия - а = 1/400 установленное автором ранее при исследовании эффективное m силикагеля для рафинирования металла от раитворенных примесей (Си, l'h, Iii и Sn).

И) уравнения маiерп.ыышт'О баланса (-1) получено, что необходимое количество сорбента для очпе i ки i аллня о i примесной меди составляет 120 г

11а отношения u.iccu силикат еля к ею насыпному несу определено, что объем V„ требуемый для размещения слоя сорбента в филыре, равняется 138 см'.

Далее с учетом данных по поротоеш слоя силикагеля и оптимальной скорости фильтрования жидкого металла через слой сорбента были определены геометрические размеры сорбера С-1: диаметр:

df ~ [Q / (0,785 • Vf • Е)]1Д ; (12)

высота:

Ii, - Vi ! (0.785 ■ iV). (13)

Диаметр и высота слоя сорбента, рассчитанные по формулам (12) и (13), составили соответственно 5 и 7 см

Ориентировочное необходимое время проведения сорбшгониого процесса очистки галлия в условиях любою технологического котлура с заданными значениями С„, Ср, Q, Vo. можно определть по сопоставлению'рассчитан-кых по формуле (9) кинетических кп иста irr к для этого и уже ранее нспытанно-

го контуров. Так для установки «Фильтрование галлия» значение к по убыли примеси Си в очишаемом металле при сходных условиях очистки (исключение составляет величина кратности циркуляции Q / V(i„) равняется 6,32 • 10"' с"1. Для рассматриваемого здесь неиспьггывавшегося контура аналогичная величина к, полученная по выражению (9) с учетом эмпирической константы Lc„ = 0,02, составила 8,1-10'3 с'1. Из соответствия произведений k-т для двух технологических галлиевых контуров н определенной автором ранее продолжительности эффективной очистки рассматриваемого металла силикагелем КСМ-6 в установке «Фильтрование галлия» (« 20 мин) следует, что ориентировочное время осуществления сорбциониого фильтрования теплоносителя в неиспьтты-вавшемся ранее контуре с сорбером С-1 должно составлять 16 мим.

Результаты испытаний сорбера С-1 подтвердили правильность расчета как по достигаемой глубине очистки галлия от примеси меди, так и по необходимому эффективному времени проведения сорбционного процесса рассматриваемого жидкого металла. Данные по сорбциоиному рафинированию галлия от примеси Си {а также от примесей Pb, Bi и Sn) с помощью силикагеля КСМ-б, находящегося в сорбере С-1, представлены в таблице 5. Графическая обработка полученных данных (см. таблицу 5) в координатах Ь[(С - Ср)/ (С, - Ср)] - т позволила установить, что необходимое время для эффективной сорбционной очистки галлия составляет 18 мин, а значения кинетической константы к в уравнениях скорости убыли Си, Pb, Bi, Sn в очищаемом металле составляют соответственно: 7,0 10' с5,7-Ю'5 с", 5,2-10-' с'1 и 5,7-Ю 4 с1.

Установленные в ходе испытания сорбера С-1 результаты отличаются от соответствующих расчетных в среднем на 10 %, что в целом характеризует правильность выполненного расчета сорбционного фильтра.

При рассмотрении вопроса об очередности проведения сорбционного и уже известных процессов очистки галлия в циркуляционном контуре автор предложил и экспериментально обосновал следующую схему рафинирования . металла. Процессы окислительного рафинирования и механического фильтрования должны проводиться совместно и опережать осуществление остальных. Вслед за этим следует осуществлять вакуум-термическую обработку И в завершение технологического цикла очистки галлия должно проводзгться сорб-ционное фильтрование. Такая последовательность технологических процессов рафинирования определяется очередностью извлечения примесей из металла.

Окислительное рафнинрование галлия водяным паром или гашобрашмм три-хлоридом галлия предназначено для перевода в твердофанпю оксидную или хлоридную форму электроотрицательных примесей металла (Л!, Сг, П. Мп, М§). Механическое фильтрование галлия имеет целью удаление твердофашой окисленной примесной фазы Вакуум-термическая обработка мета.хла предназначена для извлечения из него легковозгоняюшихся примесей (2п). Замыкающее технологическую цепочку процессов очистки галлия сорбиионное фильтрование направлено на рафинирование металла от неювлекаечых другими способами электроположительных примесей (Си, РЬ, В'|, Бп), находящихся в растворенной форме. Проведение очистки галлия от примеси А1 (окислительное рафинирование) и 2я (вакуум-термическая обработка) перед сорбционным фильтрованием обусловлено тем, что указанные примеси, находясь в жидком металле на уровне содержания >1-10'3 % мае., подавляют сорбцию электроположительных примесей галлия на силикагеле КСМ-б, цеолите СаХ и других сорбирующих материалах.

Глава 4 посвящена анализу результатов выполненного автором исследования сорбционного фильтрования галлия и известньк данных по подобному рафинированию натрия применительно к разработке аналогичных процессов очистки свинецсодежащих теплоносителей ядерных установок (РЬ и РЬ-В1)

Здесь было отмечено, что протекание сорбционного процесса жидкого металла от растворенных или высокодисперсных примесей может в зависимости от температуры и характера взаимодействия в системе сорбент - примесь -металлический расплав осуществляться по механизмам физической и химическом сорбции Установлено, что физическая сорбция для галлия имеет место при температурах ниже 100"С, для натрия - ниже 400°С. Хемосорбция в натрии может осуществляться при!>200"С.

"Примером осуществления очистки жидкого металла по мехашпму физической сорбции может служить исследованное автором извлечение силикагелем КС.М-6. алюмогелем ДГ-1100, аэрогелем А100Н меди, свита, висмута и олова га гяллиевого расплава. В натриевом теплоносителе по такому же меха-нгому протекает процесс рафинирования от марганца, кобальта на сталях, олова и сурьмы на алюмогеле АГ-1100.

Хемосорбцией объясняется извлечение ю жидкого натрия изотопов Се134 и Се'5' с помощью графитовых поглотителей.

Продолжительность достижения сорбционного равновесия и выделяемые теплоты для случая хемосорбции достаточно велики (coiни часов и ккал/моль, соответственно). Физическая сорбция протекает гораздо быстрее (на-нрпмер, для галлия менее, чем за 1 ч) и величины выделяемых в этом случае теплот не превышают 10 ккал/моль.

Как в исследовании автора по сорбциошшй очистке галлия, так и в известных работах но аналогичному рафинированию натрия отмечается, что для эффективного сорбционного извлечения из жидкого меч алла примесей важен факт смачиваемости поверхности сорбента очищаемой средой. Этим обеспечивается доставка примесей к активным центрам на внешней и внутренней поверхностях твердого иотлотигеля (жидкому металлу отводится транспортная роль). В числе предлагаемых автором способов повышения смачиваемости сорбента жндкометаллической средой, содержащей примеси, находится метод регулирования термодинамической активности растворенного кислорода (а точнее сольиата металла-основы). Галлиевые и натриевые расплавы относятся к средам с низкими значениями данного параметра в обычных условиях (А«1), поэтому для обеспечения протекания сорбционных процессов очистки свинца и свинца-висмута, у которых при тех же условиях Ац>ы>р1, следует пошить активность растворенного кислорода, например, посредством водородной регенерации

Обобщение данных по сорбционной очистке галлия и натрия также выявило следующее.

Кинетические зависимости сорбции примесей в жидком металле могут быть описаны выражениями (1, 2, 5-7, 9, 10).

Равновесные характеристики рассматриваемого процесса, протекающего по механизму физической сорбции, можно определить из изотерм сорбции, описываемых формулой (11), балансных выражений (3, 4), а также из выражения для равновесного коэффициента распределении примесной фазы между твердой фазой (сорбентом) и очищаемой жидкой фазой (расплавленным металлом) фр:

ФР = i¡,/Ср. (14)

Установлено, что сорбенты для очистки жидкого металла помимо смачиваемости очищаемой средой должны отвечать требованиям термической прочности, радиационной и коррозионной стойкости в металлическом

расплаве, а также иметь высокую удельную поверхность и селективность по отношению к примесям, подлежащим извлечению га жидкого металла.

Автором далее обосновано, что схема исследования и разработки сорб-шюниого процесса очистки галлия может послужить примером для аналогичной работы применительно к рафинированию свишм и свинца-висмута от тлектроположнтельш.тх растворенных и высоко диспеслм«. примесей, извлечение которых штатными мегодами очистки затруднено.

II этой главе автор также приводит результаты пробных поисковых экспериментов по сорбциоиной очистке свинца от примеси Тс и свинца-виеыуга от прнмсссй Те и Си

Установка для проведения пробньтх экспериментов в среде жидкого свинца по своему виду и принципу действия была похожа на установку «Фильтрование галлия» (см рис. 1). 0 качестве испытываемого сорбттруютцего материала в среде жидкого свинца использовалась стеклоткань МКТТ-2,2.А с предварительным поверхностным модифицированием при помощи КаНСО,. В данных экспериментах проверялась возможность хемосорбционного швлече-пия электроположительной примеси теллура ш расплава свинца при температурах выше 350'С и активности растворенного кислорода Л(№>| ~ 1. Анализ результатов проведенных испытаний выявттл, что примесь теллу))а ш свинца извлекается хемосорбционно при т>450"С Содержание Те в фильтруемом жидком металле снижалось в несколько раз, пропорционально количеству используемых слоеь (весу) модифицированной стеклоткани Так, например, при использовании трех слоев данною сорбирующего материала (их общий вес - 25 г) в очищаемом свинце (масса - 30 кг) содержание теллура уменьшилось в 3,2 раза: с 5,7-Ю'3 до 1,8-10"2 % мае., при очистке металла с помощью двух слоев модифицированной МКТТ-2.2.А содержание контролируемой примеси снизилось в 1,7 раза: с 5,7 -10"* до 3,4-10"2 % мае.

Установка для проведения пробных экспернметпов но сорбциоиной очистке свинца-висмута от примесей Те, Си представляла собой герметичную емкость, в которой находились расплав и проницаемая для него сетка из титановой проволоки с сорбентом (цеолитом СаХ, силнкагелем КСМ-б). Для обеспечения доставки примесей к поверхности частиц твердого поглотителя установка была снабжена мешалкой. Извлечение примесей Те и Си го эвтектического сплава (масса - 15 кг) с помощью силнкагеля КСМ-б и цеолита СаХ

(обща* масса сорбентов - 100 г) в температурном интервале 160 - 200"С и при А)№о|ч 1, как покатали поисковые эксперименты, происходи по механизму физической сорбции: время установления равновесия ие превышало 1 ч. Однако достигаемая при этом эффективность очистки свинца-висмута оказалась низкой. Содержание. Те в эвтектическом сплаве уменьшилось с 5,0-10'3 % мае. только до 3,2-Ю"1 % мае., а содержание Си с 1,0-10"3 % мае. понизилось лишь до 8,0 10'' % мае.

Полученные результаты пробных экспериментов по сорбционной очистке свинца и свинца-висмута подтвердили принципиальную возможность извлечения из данных жидкометалдических теплоносителей электроположтельных примесей. Очевидно, достижение более высоких величин эффективности сорбционной очистки свинецсодержащих теплоносителей станет возможным при сниженни уровня активности растворенного кислорода до значений А«1, как уже отмечалось выше, являющихся благоприятными для протекания аналогичных процессов рафинирования галлия и натрия.

В заключении главы 4 автор для дальнейших выходяших за рамки диссертации исследований сорбционной очистки свинца и свинца-висмута рекомендовал осуществить следующую работу:

- отдельно для свинца и свинца-висмуга определить диапазон значений активности растворенного кислорода, в пределах которого сорбционная очистка данных жидкометаллических теплоносителей окажется наиболее эффективной;

- далее провести комплекс экспериментов по сорбционной очистке жидких свинце и свинца-висмута с варьированием параметров осуществления исследуемых процессов (вид сорбента, температура, расход жидкого металла, исходное содержание контролируемой примеси в свинце (свинце-висмуте), соотношение масс сорбента и очищаемого металла) по схеме, апробированной на гал-лиевом теплоносителе;

- провести обработку полученных экспериме1ггальных данных по зависимостям (1-14) (они справедливы для сорбционного рафинирования галлия и натрия);

- осуществить расчет и испытание сорбционного фильтра для свинца и свинца-висмута по схеме, предложенной автором для аналогичного устройства очистки галлия.

Таблица 1

Изменение примесного состава галлия в процессе 175 ч фильтрования ня стенде "Гяллнн-90" (содержание С, % мае.)

Элемент- Продолжтггельность очистки. ч

пр имеет. 0 5.5 12,5 87,5 175,0

мв 1,3 10'' 1.0 10' 1,0 ю-' 1,0 ■ 10'1 0,0 ■ ю-*

А1 3,3 ю-4 5,9 5,8 10' 5,8- 106 5,8 • 10л

Сг м 10'' 2,9 ш* 2,8 10^ 2,8- ю-" 2,8 • 10 *

Мп 1,6 10"* 3,9 ю-6 3,6 10"6 3,6- 10"6 3,6 • 10*

Ре 3,0 ю-4 3,0 ю-5 3,0 10'5 2,9- Ю-5 3,0- 105

Си 5,5 10" М ю4 1,5 10ц 1,4- 1С4 1,4 ■ 10 "

РЬ 3,6 10" 5,1 10'5 5,0 105 5,0- 10" 5,1 • 10'5

вп 5,0 10"* 3,7 10"4 3,7 104 3,8- Ю-4 3,7 • 104

В! 5,8 Ю-4 2,2 ю4 2,3 10 4 2,3 • Ю-4 2,3 • 10 4

1п 6,7 10"4 3,2 10"4 3,1 10 4 3,2 • ю-4 3,2 • 10 4

Таблица 2

Равновесная сорбциоииая емкость стеклоткани МКТТ-2,2.А по

извлекаемым примесям (я,, % мае.) при фильтровании галлия {40*С)

м? А1 Сг Мл Ие Си РЬ В1 Бп 1п

3,69 0,84 3,99 0,45 0,77 1,17 0,88 1,00 0,37 1,00

Таблица 3

Расчетные значения предельной равновесной емкости (я"1*) снлнкагеля

КСМ-й по электроположительным примесям, предельного равновесного (остаточного) содержания этих примесей в галлии после сорбцнонной

очистки (СЦ°")и константы ( в уравнении: ар = а"" -(¿/(с,-С"")] (условия эксперимента: О = 5,6-10"® м3/с; а = 1/400)

Примесь (а^), % мае. (С™), % мае. 1

40 1,310 4,9-Ю'5 5,7-10'

Си 50 1,300 7,8-10"5 6,2-Ю-'

80 0,525 5,4-10"4 8,3-10'

40 2,390 1,5-Ю4. 9,1-10^

РЬ 50 2,270 2,8-10"4 7,7-10"6

80 1,265 2,0-Ю3 5,5-10-'

40 1,345 2,1-Ю"4 2,2-Ю"4

В) 50 1,290 2,8-Ю"4 5,2-10"6

80 0,785 1,2-Ю3 3,2-Ю'

40 . 2,290 3,3-Ю"4 5,9-Ю'3

Бп 50 2,190 4,4-10"4 6,8-103

80 1,410 1,8-10"3 4,5-10*

Таблица -)

)начення констант скорости сорбцноиного извлечения п геплот сорбции примесей меди, свинца, висмута и олова из 1 аллиеьою расплава для силикагеля КС.М-6 (О = 5,610' м3/с; а = 1/400)

Примесь 1, °С к*, 10"' к«, Ш"1 Ос кал/моль

40 6,674

Сч 50 6,610 1,8 818,8

80 5,786

40 7,151 1) 1,0-10"' 1) 14571,3

РЬ 50 7,324 2) 3,0- Ю"3 2) 5302,3

80 5,714 3) 4,МО1 3) 1852,5

40 6,696

Ш 50 6,661 5,3 144,0

80 6,510

40 7,272 1)2,5-10"' 1) 2107,4

8п 50 6,547 2) 1,1 2) 1154,1

80 5,884 3) 1,9 3) 799,3

Примечание шачешм к имты при насыщении сорбента.

Таблица 5

Динамика изменении содержания меди, свинца, висмута и олова в в галлии при испытании сорбера С-1 в циркуляционном контуре стенда "Галлий-90" (% мяс.)

'Лчемеш - Продолжительность сорбщгонного фильтрования, мин

ирнмесь 0 . 5 10 25 40 60

Си 2,0 ■ 10'' 2,9 ■ 104 7,8 ■ 10 5 5,1 ■ 10 5 5,0 • ¡05 5,0 • 10*'

РЬ 5,0 • 10"* 1,0-10'3 3,3 • Ю"4 1,7 • Ю"4 1,7 • 10" 1,8 • Ю"4

В| 3,0 • 103 8,0 • 10'" 3,2 • Ю"4 2,1 • 10"4 2,0 • 10^ 1,9 • Ю"4

5п 5,0 • 10"3 1,3 • 10"3 6,1 • Ю"4 4,6 • 10"4 4,7 • Ю"4 4,7 • 10"4

Рис. 1. Схема установки "Фильтрование галлия" (1 - загрузочный бак; 2 - фильтр; 3 - приемный бак; 4 - пробоотборник)

(1 - увлажнитель; 2 - буферная емкость; 3 - электромагнитный насос, 4 - пробоотборник карусельного типа; 5 - смеситель; б - загрузочная емкосз ь; 7 - датчик активности (растворенного) кислорода; 8 - магнитный расходомер; 9 - уровнемер; 10 - фильтр; 11 - запорная арматура)

Ц \ 1\ \ ► 0, ♦ (32 • Оз

|\ \ \ \ V \ \ ч

\\ ч

0 600 1000 1600 Т, С

Рис. 3. Динамика изменения содержания примеси Си в галлии при его сорбционной очистке силиквгелем КСМ-б в установке «Фильтрование галлия» (I = 40 °С; а - 1/400; Q| = 3.3 • 10"* м'/с; = 5,6 - 10"* м'/с; О, = 8,4 • Ю"4 м'/с)

-р

г

1

о ? т1п4 6 8 10 26 ТВ за 32 34 36 Ср-104,

С'' % и:.

Рис. 4. Изотермы сорбции олова сшшкагелем КСМ-6 при сорбционном фильтровании галлия (I = 40 °С; (3 = 5,6-10^ м3/с; а, = 1/800; а3 = 1/400; а3 = 1/200)

Эр

ар ,%*

2,0 1.5 1,0 0,4

° МОГ» Ср,*««.

вр ,%м*с.

2,0 1,5 1,0 0,5

0

РЬ

♦ 1»40°С ♦ 1"50°С

1-104 Ср,%ы«.

Эр ,%мас.

Си

♦ М0°С ♦ 4*50°С

11

2,0 1,8 1,0 0,5

В)

• и40"С « МО"«

2.0 1,5 1.0 0,5

Л -

• N40 »С ♦ Ь»50°С

0 1-Ю*3 СрДмк. О 1-Ю"1 СрЛи».

Рис. 5-8. Изотермы сорбции сшшкагелем КСМ-б электроположшельных примесей из галлиевого расплава

Рис. 9. Схема конггура для испытания сорбера С-1: 1 - смеситель (загрузочный бак); 2 - жидхометаллическнй иасос; 3 - пробоотборник; 4 - устройство для залива жидкого галлия в контур; 5 - сорбер С-1

В заключении приведены следующие основные выводы по лнссепта-

ыши

1. Проведен анализ систем жидкий галлий - примеси, жидкий свинец - примеси, расатав свинца-висмута - примеси. Определены возможные пути загрязнения теплоносителей.

2. Рассмотрены достоинства и недостатки традиционных- методов очистки таллии и свииецеодсржаших расплавов в жидкометаллических циркуляционных контурах. Обозначена необходимость разработки сорБционной очистки данных теплоносителей.

3. Рассмотрены основные закономерности сорбции в жидких неметаллических средах, существующие виды твердых поглотителей и их специфика.

4. Сформулированы общие требования к сорбентам и сорбциоиному процессу очистки жидкометаллических теплоносителей.

5. Проанализированы работы по сорбциоиному рафинированию натрия, на основании чего было признано возможным разработать аналогичные процессы очистки галлия, свинца и евинца-вис.муп.

0. ¡'асработана методик,, отбора сорбирующих материалов для глллин. Получены виерьче результаты по эффективности использования сшикателя КС'М-0, азроиля Л',ООН, алю.могеля АГ-1 ¡00, активированных оксида алюминия и угля ЬАУ, шфографита МПГ-б. оксида циркония, карлсирита, пористою ширили титана, стеклоткани МКТТ-2.2.А, двул- и четырехремизного сатинов, ок-са.тоновых тканей ОТФ-1 и ОТФ-2, угле-ткани "Урзл-ТЛЫ", цео.иггов СзХ И СаЛ для очистки жидкого галлия от растворенных и высокодисперсных примесей. На заявку к патентованию предложенного сороционното способа очистки таллия получено ноложик'.зыше решение Госжспертиш.

?. Обосновано применение стеклоткани МКТТ-2.2.А для контурной адгеит-онной (суть сорбционной) очистки' гахшевого теплоностгтеля от аысоколис-персных окисляемых и шггермега.иидоойратиощих примесей.

8 Осуществлено расширенное исследование сороционного фильтр«»,имя таллия от растворенных примесей силикат е.тем КС.М-О при ¡>ллнчны\ ортанниции процесса (расход жидкою металла через слой сорбента, темпе» рагура, соотношение масс силикагелч и очищаемого таллия, исходное co.iep.M-ние контролируемых растворенных применен » металле) по разработанной тором методике впервые полученные рел.тьтаты позволили устюыггь »и.<«-

тические и равновесные закономерности исследуемого процесса, а также определить оптимальные условия его осуществления (температура - 40°С, кратность циркуляции жидкого галлия через фильтр - (7-10)10"' с'1; соотношение масс сорбента и очищаемого металла - 1/400). Показано, что извлечение силикаге-лем примесей ш галлия протекает по механизму физической сорбции при температурах ниже 100 "С.

9. Осуществлен расчет сорбера для очистки галлиевого теплоносителя си-ликагелем КСМ-6 на основании установленных ранее кинетических и равновесных характеристик (константы скорости сорбции Примесей, изотермы сорбции, равновесные коэффициенты распределения примесей). Проведено экспериментальное испытание данного сорбера в условиях галлиевого циркуляционного контура, подтвердившее правильность расчетов.

10. Осуществлено включение разработанного процесса в технологию поддержания чистоты галлиевого теплоносителя. Установлена на основании проведенных испытаний последовательность организации сорбционной очистки и других процессов рафинирования данного жидкого металла в циркуляционном контуре.

11. Проведено обобщение результатов по сорбционной очистке галлия и натрия. Установлены общие закономерности протекания данных процессов в жндкометаллнческих теплоносителях.

12. Предложена схема разработки сорбционных процессов очистки жидких свинца и свинца-висмута. Проведены первые поисковые эксперименты по очистке данных жидкометаллцческих теплоносителей от растворенной электроположительной примеси Те, анализ результатов которых показал правильность обобщения итогов исследования сорбционного фильтрования галлия и натрия.

13. Разработанный в диссертации способ сорбционной очистки галлия может быть также использован в традиционных производствах данного металла.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях автора:

1. Асхадуллин Р.Ш., Мартынов П.П., Лаврова О В. и др. Поиск перспективных фильтром,пер палов для контурной очистки галлиевых расплавов. Препринт ФЭИ - 2446. Обнинск. 1995.

2. Асхадуллин Р.Ш., Мартынов ПН. Сысоев Ю.М. и др. Сорбционное фильтрование электроположительных примесей из галлиевого расплава. Препринт ФЭИ- 2447. Обнинск, 1995.

3. Асхадуллин Р.Ш., Лаврова О.В., Мартынов ПН. и др. 11ссдедопание процесса очистки галлия от примесей Си. Pb. Bi и Sti метолом сорбшюнного фильтрования. Препринт ФЭИ - 2537. Обнинск, 1996.

4. Мартынов П.Н., Паповянц А.К., Асхадуллин P. III и др. Исследование фильтрации жидких металлов (свинец-висмут, галлий и др.) с использованием глубинных фнлыров на основе гранул титана и стеклоткани. //Тегоюфизика-93: Тез. докл. межвед. конф. по рассмотрению аспектов в теплогидравлических и физико-химических процессах переноса примесей в теплоносителях ядерных реакторов, Обнинск, ноябрь 1993 г. Обнинск, Изд-во ФЭИ, 1995. С.72. .

5. Асхадуллин Р.Ш., Лаврова О.В., Мартынов П.Н., Сысоев Ю.М. Исследование процесса сорбшюнного фильтрования галлия в циркуляционном контуре. //Тештофюика - 94: Тезисы доклада. Обнинск, 1994.

6. Асхадуллин Р.Ш., Лаврова О.В., Мартынов П.Н. и др. Сорбция примесей меди, свинца, висмута и олова из расплава галлия. /В сб. Избранные труды ГНЦ РФ - ФЭИ им. акад. А.И.Лейпунского (1996 г.). Обнинск, Изд-во ФЭИ, 1997.