Конечно-элементная модель взаимодействия жидкого металла с реакторной сталью

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе обсуждается модель процесса взаимодействия жидкометаллического теплоносителя (Pb, Pb55Bi(э)) с материалом теплообменника (сталь 316L) в устройстве охлаждения атомного реактора (типа СВБР) в случае, когда эффектом жидкометаллического охрупчивания нельзя пренебречь. Предполагается, что трещина распространяется в результате проникновения жидкого металла-теплоносителя в границы зерен. Расчет свободной энергии смоченной поверхности проведен методом среднего поля в формализме конечно-элементного анализа. Получено растягивающее напряжение S(МПа), необходимое для распространения трещины длиной 50 мкм от дефекта на поверхности теплообменника в виде риски размером 0.15 мм. Расчет выполнен для рабочего интервала температур 900–1100 К, когда расплав смачивает сталь. S = 253÷358 МПа и S = 210÷369 МПа при взаимодействии расплавов Pb55Bi и Pb со сталью 316L соответственно. Результат расчета 

Full Text

Restricted Access

About the authors

О. А. Чикова

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Author for correspondence.
Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Russian Federation, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19

В. Ванг

Северо-Китайский университет водных ресурсов и электроэнергетики, Институт теплоэнергетики

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Taiwan, Province of China, 450011, Чжэнчжоу, ул. Северное Третье кольцо, д. 36

Ш. Ли

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Russian Federation, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19

References

  1. Gong X., Short M.P., Auger T., Charalampopoulou E., Lambrinou K. Environmental degradation of structural materials in liquid lead- and lead-bismuth eutectic-cooled reactors // Progress in Materials Science. 2022. V. 126. P. 100920. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100920
  2. Gorse D., Thierry Auger, J.-B. Vogt et al. Influence of liquid lead and lead–bismuth eutectic on tensile, fatigue and creep properties of ferritic/martensitic and austenitic steels for transmutation systems // Journal of Nuclear Materials. 2011. V. 415. P. 284–292. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.04.047
  3. Fernandes P.J.L., Jones D.R.H. Mechanisms of liquid metal induced embrittlement // International Materials Reviews. 1997. V. 42. № 6. P. 251–261. https://doi.org/10.1179/imr.1997.42.6.251
  4. Rehbinder P.A., Shchukin E.D. Surface phenomena in solids during deformation and fracture processes // Progress in Surface Science. 1972. V. 3. Part 2. P. 97–188. https://doi.org/10.1016/0079-6816(72)90011-1
  5. Щукин Е.Д., Савенко В.И., Малкин А.И. Влияние поверхностно-активной среды на механическую устойчивость и повреждаемость поверхности твердого тела. Обзор. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2013. T. 49. № 1. C. 44–61. https://doi.org/10.7868/S0044185613010105
  6. Малкин А.И. Закономерности и механизмы эффекта Ребиндера // Коллоидный журнал. 2012. T. 74. № 2. C. 239–256.
  7. Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1921. V. 221. P. 163–198. https://doi.org/10.1098/rsta.1921.0006
  8. Roth M.C., Weatherly G.C., Miller W.A. The temperature dependence of the mechanical properties of aluminum alloys containing low-melting-point inclusions // Acta Metallurgica. 1980. V. 28. № 7. P. 841–853. https://doi.org/10.1016/0001-6160(80)90102-9
  9. Stoloff N.S., Johnston T.L. Crack propagation in a liquid metal environment // Acta Metallurgica. 1963. V. 11. № 4. P. 251–256. https://doi.org/10.1016/0001-6160(63)90180-9
  10. Westwood A.R.C., Kamdar M.H. Concerning liquid metal embrittlement, particularly of zinc monocrystals by mercury // Philos. Mag. A. 1963. V. 8. № 89. P. 787–804. https://doi.org/10.1080/1478643630821383
  11. Lynch S.P. Metal induced embrittlement of ductile materials and dislocation emission from crack tips // Scripta Metallurgica. 1984. V. 18. № 85. P. 509–513. https://doi.org/10.1016/0036-9748(84)90431-9
  12. Lynch S.P. Metallographic contributions to understanding mechanisms of environmentally assisted cracking // Metallography. 1989. V. 23. № 2. P. 147–171. https://doi.org/10.1016/0026-0800(89)90016-5
  13. Robertson W.M. Propagation of a crack filled with liquid metal // Trans. Met. Soc. AIME. 1966. V. 236. P. 1478–1482.
  14. Glickman E. On the role of stress, strain and diffusion in dissolution–condensation mechanism of liquid metal embrittlement // Defect and Diffusion Forum. 2007. V. 264. P. 141–149. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.264.141
  15. Субботин В.И., Ивановский М.Н., Арнольдов М.Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических теплоносителей. М.: Атомиздат, 1970. 296 с.
  16. Tian S., Zhang J., WangY., Ma Y., Wang W. Influence of high-density electropulsing treatment on the interface corrosion characteristics of 316L steel in lead-bismuth eutectic at 823 K. E3S Web of Conferences. 2019. V. 136. P. 06022. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201913606022
  17. G. Muller, Heinzel A., Konys J. et al. Results of steel corrosion tests in flowing liquid Pb/Bi at 420–600°C after 2000 h // Journal of Nuclear Materials. 2002. V. 301. № 1. P. 40–46. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(01)00725-5
  18. Hadjem-Hamouche Z., Auger T., Guillot I. Temperature effect in the maximum propagation rate of a liquid metal filled crack: The T91 martensitic steel/lead–bismuth eutectic system // Corrosion Science. 2009. V.51. № 11. P. 2580–2587. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.06.049
  19. Kalkhof D., Grosse M. Influence of PbBi environment on the low-cycle fatigue behavior of SNS target container materials // Journal of Nuclear Materials. 2003. V. 318. P. 143–150. https://doi.org/10.1016/s0022-3115(03)00015
  20. Di Gabriele F., Doubkova´A., Hojna A. Investigation of the sensitivity to EAC of steel T91 in contact with liquid LBE // Journal of Nuclear Materials. 2008. V. 376. № 3. P. 307–311. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.02.029
  21. Proriol I.S., Vogt J.-B. Liquid metal embritllement sensitivity of the T91 steel in lead, in bismuth and in lead bismuth eutectic // Journal of Nuclear Materials. 2020. V. 531. P. 152021. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152021
  22. Hui J., Zhang B., Liu W., Wang B. Complex segregation and fracture mechanisms at interfaces in liquid metal embrittlement and corrosion // SSRN Electronic Journal. 2022. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4123025
  23. Ростокер У., Мак-Коги Дж., Маркус Г. Хрупкость под действием жидких металлов. М: Издательство иностранной литературы, 1962. 192 с.
  24. Камдар М.Х. Жидкометаллическое охрупчивание. В кн.: Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов (под ред. Брайента К.Л. и Бенерджи С.К.). М.: Металлургия, 1988. с. 333–423.
  25. Zhu H., Du X., Liu X., Yan T., Li X., Wang Y., Qi M., Tu X. Wetting behavior of LBE on corroded candidate LFR structural materials of 316L, T91 and CLAM // Materials. 2022. V. 15. № 3. P. 102. https://doi.org/10.3390/ma15010102
  26. Protsenko P., Eustathopoulos N. Surface and grain boundary wetting of Fe based solids by molten Pb and Pb-Bi eutectic // Journal of Materials Science. 2005. V. 40. № 9–10. P. 2383–2387 https://doi.org/10.1007/s10853-005-1963-2
  27. Zhang J., Li N., Analysis on liquid metal corrosion–oxidation interactions // Corrosion Science. 2007. V. 49. № 11. P. 4154–4184. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2007.05.012
  28. Кашежев А.З., Понежев М.Х., Созаев В.А., Хасанов А.И., Мозговой А.Г. Экспериментальное исследование смачивания реакторных сталей расплавленным свинцом и висмутом // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 5. С. 793–796.
  29. Кашежев А.З., Понежев М.Х., Созаев В.А., Мозговой А.Г. Смачиваемость новых реакторных сталей тяжелым жидкометаллическим теплоносителем на основе свинец-висмутовой эвтектики // Физикохимия поверхности и защита металлов. 2010. № 6. С. 27–33.
  30. Tahmasebipour M., Vafaie A. Capillary driven two-phase flow dynamics in nonpatterned and patterned microchannels // International Journal of Automotive and Mechanical Engineering. 2019. V. 16. № 1. P. 6386–6401. https://doi.org/10.15282/ijame.16.1.2019.21.0483
  31. Bamshad A., Nikfarjam A., Sabour H M., Raji H. Theoretical and numerical investigation of liquid–gas interface location of capillary driven flow during the time throughout circular microchannels // 5th RSI International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), Tehran, Iran. 2017. P. 432–438. https://doi.org/10.1109/ICRoM.2017.8466144
  32. Sandeep K.T., Sahu S., Chaudhari V., Bhattacharyay R., Kumar E.R. thermal hydraulic study for heavy liquid metal flows using COMSOL multi-physics // Excerpt from the Proceedings of the 2012 COMSOL Conference in Bangalore.
  33. Yu C.-N., Lazaridis K., Wu Y., Voroshilov E., Krivilyov M.D., Mesarovic S.D., Sekulic D.P. Filling a hole by capillary flow of liquid metal–equilibria and instabilities // Physics of Fluids. 2021. V. 33. № 3. P. 034109. https://doi.org/10.1063/5.0039718
  34. Lazaridis K., Wu Y., Krishna S.K.M., Yu C.-N., Krivilyov M.D., Sekulic D.P., Mesarovic S.D. Contact angle ageing and anomalous capillary flow of a molten metal // Physics of Fluids. 2022. V. 34. № 11. P. 112117. https://doi.org/10.1063/5.0123707
  35. Александров А.А, Орлов К.А., Очков В.Ф. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: Интернет-справочник. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 224 с.
  36. Зинина А.П., Пиманов В.В. Влияние поверхностной энергии металлических образцов на прочность клеевых соединений // Изв. МГТУ “МАМИ”. 2011. № 2. С. 127–130.
  37. Кашежев А.З., Кутуев Р.А., Понежев М.Х., Созаев В.А., Хасанов А.И. Политермы плотности и поверхностного натяжения сплавов на основе свинца // Известия РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. № 6. С. 881–883.
  38. Ersoy F., Verbeken K., Gavrilov S. Influence of displacement rate and temperature on the severity of liquid metal embrittlement of T91 steel in LBE // Materials Science & Engineering A. 2021. V. 800. P. 140259. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140259
  39. Чезганов Д.С., Чикова О.А., Боровых М.А. Влияние термической обработки на кристаллическое строение деформированных образцов хромомарганцовистой стали // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 9. С. 902–908. https://doi.org/10.7868/S0015323017090030
  40. Боровых М.А., Чикова О.А., Вьюхин В.В. Изучение кристаллического строения стали 32Г1, 32Г2 И 35ХГФ методом EBSD-анализа // Черные металлы. 2017. № 12. С. 61–65.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies