Введение к работе
Актуальность темы. Литий и его сплавы считаются материалами
XXI века, использование которых позволит решить ряд принципиальных вопросов создания высокоэффективного термоядерного реактора. Чистый литий используется как тритий-воспроизводящее вещество и теплоноситель в современных ядерных, а в перспективе – и в термоядерных установках при условии решения ряда вопросов его совместимости с материалами и плазмой реактора токамака [1,2]. Применение сплавов лития с натрием как наиболее перспективных высокотемпературных теплоносителей обусловлено высокой критической температурой и низкими температурами плавления. Варьируя компонентный состав систем, можно создавать теплоносители с заданными физико-химическими характеристиками. Отметим также, что в высокотемпературных реакторах для отвода тепла целесообразно применять жидкие металлы, позволяющие отводить тепло из реактора при сравнительно высоком температурном уровне и при малых давлениях, что позволяет существенно повысить КПД ядерной энергетической установки. Наиболее отчетливо преимущество лития проявляется при создании ядерных энергоустановок транспортного и космического назначения.
По степени разработанности следует отметить, что исследования высокоактивных щелочных металлов и их сплавов связаны с большими экспериментальными трудностями – одна из причин того, что имеющиеся в литературе данные по плотности, поверхностному натяжению и работе выхода электрона лития и его сплавов весьма малочисленны или вовсе отсутствуют. В связи с этим возникает необходимость комплексного исследования теплофизических свойств лития, натрия, калия и их сплавов.
Настоящая работа посвящена актуальной проблеме изучения плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона лития и сплавов систем литий-натрий, натрий-калий, а также расчетам термодинамических характеристик поверхностей этих систем.
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:
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 литий-натрий и натрий-калий.
4. Расчет адсорбции компонентов систем литий-натрий и натрий-калий и оценка состава и толщины поверхностного слоя сплава 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 в вакууме 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 «N»-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 Na-K. Показано, что поверхностный слой сплавов Na-K при Т = 385 K 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-р_юг РФФИ (2006–2007 гг.); «Теплофизические свойства лития и его расслаивающихся сплавов с натрием и калием. Проект № 09-08-96531-р_юг, 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 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
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 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 сплава 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.
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 Li и сплавов Li-Na, Na-K 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 Na-K и Li-Na проведены совместно с Дышековой Ф.Ф.
Все остальные результаты получены автором лично.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации 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 теплофизическим свойствам веществ (с международным участием) (Новосибирск,
28 июня – 1 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 «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.
