ПРОЦЕСС КОРРОЗИИ
ГИПОТЕЗЫ
Наиболее важными результатами ресурсных испытаний, приведенными в разд. 4, являются: унос кислорода из материала стенки в зоне охлаждения, обогащение кислородом стенки в области разрушения трубы в зоне нагрева, отсутствие заметного обогащения другими примесями.
Эти данные позволяют сделать заключение, что наблюдаемая коррозия в зоне нагрева в Nb — IZr/Li и Ta/Li тепловых трубах обусловлена начальным содержанием кислорода в конструкционном материале стенки и что процесс коррозии состоит из следующих этапов: уноса кислорода из материала стенки в зоне охлаждения, переноса кислорода в зону нагрева и взаимодействия кислорода с материалом стенки в этой области. В следующих разделах будут проанализированы и обсуждены детали гидро- и термодинамики этого процесса.
Циркуляция лития
Двухфазная циркуляция лития является основой процесса коррозии. Если предположить, что циркуляция осесимметрична, то в этом случае тепловую трубу можно подразделить на независимые одинаковые секторы, в каждомизкоторых содержится один канал с жидкостью и соответствующая часть парового канала. Циркуляционный контур лития в каждом секторе образует две петли (сплошные линии на фиг. 11). Поток пара из зоны нагрева растекается в две зоны охлаждения, а конденсаты возвращаются в зону нагрева. Две петли соединяются в зоне нагрева в области исчезновения осевой скорости. Из анализа чисел Re для пара и жидкости (табл. 1) следует, что течение пара и жидкости является ламинарным.
Из этих уравнений следует, что течение жидкости в противоположном направлении имеет место при достаточно высоких значениях касательного напряжения тш, т. е. параметра D. Для тепловых труб с квадратными каналами (а — Ь) обратное течение возникает при D — 2,4 на поверхности вдоль кромок канала. С увеличением D эти два обратных потока становятся шире и глубже. При D выше 9,1 вся поверхность жидкости движется в противоположном направлении.
Значения D зависят от профиля потока пара в соответствии с уравнением Ньютона
Оба значения намного превышают величину 2,4, т. е. в тепловых трубах № 1, 3 и 4 обратные потоки имеют место в поверхностном слое жидкости.
В противоположность тепловым трубам № 1, 3 и 4 в вертикально работающей тепловой трубе № 2 обратных потоков не существует. Причина этого состоит, однако, не в гравитации, а в слишком малом количестве Li в этой тепловой трубе, которого было недостаточно, чтобы полностью заполнить каналы. Выше было указано, что тепловая труба № 2 не может работать горизонтально. Анализ распределения давления приводит к заключению], что перепад давлений в практически пустых каналах тепловой трубы № 2 должен быть, во всяком случае, в 60 раз больше, чем в полностью заполненных каналах тепловых труб № 1 и 3. Легко оценить, что при этих условиях влияние пара на жидкость было недостаточным, чтобы вызвать обратное течение.
На фиг. 12 дано поперечное сечение жидкостного канала с двумя областями, в которых течения противоположны по направлению, а это соответствует условиям в зоне нагрева тепловых труб № 1, 3 и 4.
Можно видеть, что в тепловых трубах № 1 и 3 (D — = 16,4) обратный поток составляет ~ 10% всего количества жидкости. Суммарный обратный поток в этом случае составляет 6% суммарного истинного жидкостного потока.
Поскольку радиальное движение накладывается на осевое движение жидкости как результат испарения и конденсации, форма линий тока оказывается такой, как представлено на фиг. 11. После конденсации каждая частичка проходит еще относительно короткое расстояние от зоны нагрева, после чего опускается на большую глубину в канале и возвращается к зоне нагрева.
Предшествующее обсуждение относится к тепловой трубе с осевой симметрией, однако имеется ряд эффектов, нарушающих симметрию потока, например асимметричный нагрев, который может быть вызван асимметрией индукционной катушки или неудовлетворительной центровкой тепловой трубы в катушке, и гравитация, которая в случае не вертикальной работы тепловой трубы вызывает поперечные токи жидкости из верхних в нижние каналы [5]. Фиг. 11 может поэтому служить только грубым приближением к истинной картине течения в тепловых трубах.
УНОС КИСЛОРОДА ИЗ МАТЕРИАЛА СТЕНКИ
Первым этапом процесса коррозии является перенос кислорода из стенки зоны охлаждения в жидкий литий. Этот перенос имеет место до тех пор, пока парциальная мольная свободная энергия кислорода в материале стенки больше, чем в литии. Обе свободные энергии зависят от концентрации кислорода в соответствующих материалах. Если предположить, что для различных кислородных растворов применим закон Генри, то /парциальная мольная свободная энергия кислорода в роответствующем материале составит [19]
На фиг. 13 показано изменение свободной энергии кислорода в Li, Nb — IZr и Та для разных концентраций кислорода, рассчитанное по уравнению (8). Для того чтобы получить с помощью диаграммы равновесную концентрацию кислорода в материале стенки, необходимо предварительно определить концентрацию кислорода в жидком литии. Для этого предполагается, что в паре и жидкости перенос кислорода осуществляется вынужденной конвекцией без скольжения. Если исключить источники кислорода с внешней стороны тепловой трубы, то в стационарном состоянии поток кислорода из стенки зоны охлаждения в литий равен нулю. С жидкой фазой в зону охлаждения поступает лишь небольшое количество кислорода, хотя в жидкой фазе и имеется обратный поток в поверхностном слое жидкости, как описано в разд. 5.2, и кислород, поступающий из материала стенки, проходит только небольшое расстояние от зоны нагрева к зонам охлаждения благодаря наличию радиального движения. Поэтому по существу концентрация кислорода в жидком литии зоны охлаждения определяется кислородом, поступающим в пар.
Концентрация кислорода в паре зависит от состава поверхности испарения. В настоящее время мало известно о системе Li — О и тройных системах, образованных с Nb или Та. Поэтому можно оценить только верхний предел концентрации кислорода, поступающего из материала стенки. Для этой цели предполагается, что поверхность жидкости в зоне нагрева состоит из насыщенного раствора кислорода в литии, который находится в равновесии с фазой Li20, и что конденсирующийся пар имеет тот же состав, что и равновесный пар над такой поверхностью.
На фиг. 14 представлен состав такого пара в зависимости от температуры, рассчитанный из термохимических данных [201. Как видно, среди составляющих Li20 дает основной вклад в концентрацию кислорода. Это положение иллюстрируется фиг. 15, на которой дана зависимость концентрации кислорода от температуры. Из этой фигуры следует, что значения 200 и 500 ч. на млн. соответственно при температурах 1500 и 1600 °С являются верхним пределом для концентрации кислорода в сконденсированном литии.
Таким образом, из фиг. 13 следует, что равновесная концентрация кислорода в Nb— IZr при температуре 1500 °С и в Та при температуре 1600 °С должна быть не более 1 и 0,02 ч. на млн. соответственно. Качественно этот результат согласуется с наблюдаемым сильным обескислороживанием стенки зоны охлаждения. Однако измеренные концентрации кислорода составляют ~10 ч. на млн. (фиг. 9, 10 и табл. 2), что значительно превышает рассчитанные значения. Это различие может быть вызвано несколькими причинами, например неточными значениями AG0 и х0, иным составом поверхности испарения, устойчивым состоянием, отсутствием равновесия или окислением после вскрытия за счет обратного переноса кислорода из зоны нагрева в зону охлаждения. Последнее подтверждается обогащением поверхности в зоне охлаждения кислородом (табл. 2 и фиг. 10); образцы, с которых более 10% было удалено травлением, дали содержание кислорода, не превышающее 5 ч. на млн. (достоверные данные при меньших концентрациях не могли быть получены вследствие малого размера образцов, используемых для такого анализа).
