CC BY
41
ших количествах в несвязанном ионном виде в процессе произрастания растения. При контакте соломы с дистиллированной водой в течение 0,5 - 4 часов наблюдается процесс десорбции ионов железа, величина десорбции увеличивается со временем.
Данные эксперимента наглядно показывают высокую эффективность использования соломы в качестве доступного сорбента ионов тяжёлых металлов. Солома может стать эффективным, но вместе с тем недорогим и повсеместно распространенным в природе сорбентом, пригодным для очистки почвы. В связи с наличием в составе в качестве структурной единицы лигнина и целлюлозы солома проявляет хорошие адсорбционные свойства по отношению к ионам тяжёлых металлов, в частности к ионам меди (II), марганца (II) и хрома (III). Вероятно, имеет место необратимая специфическая физическая адсорбция за счёт образования различных координационных и ковалентных связей.
Таким образом, проведённые исследования показывают эффективность использования соломы для направленного регулирования избыточно поступивших в почву ионов тяжёлых металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Природные ресурсы и охрана окружающей среды Курганской области в 2008 году: Доклад /Под ред. В.П. Шевелева. - Курган: ГУПР по Курганской области, 2009. - 148 с.
2. Мариненко Е.Е. Использование нетрадиционных, экологически чистых источников энергии в сельском хозяйстве: Информационный листок Волгоградского ЦНТИ.-Волгоград, 1997.
3. Применение соломы зерновых культур на удобрение в Томской области. - Томск, 2004. - 10 с.
4. Кротов Ю.А. и др. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. - СПб.: Мир и семья, 2000. - 357с.
5. Тяжелые металлы в почве//http://www.ref.by/refs/97/22306/ 1.html.
6. Булатов А.И., Макаренко П.П., Шеметов В.Ю. Справочник инженера-эколога нефтедобывающей промышленности по методам анализа загрязнителей окружающей среды: В 3 ч. - М.: ООО «Недра Бизнесцентр», 1999. - Ч. 2: Почва. - 634 с.
Е.А. Чернова, Д.Н. Камаев, О.И. Бухтояров Курганский государственный университет, г. Курган, Россия
РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ВЕ0-и02 С ПОМОЩЬЮ УРАВНЕНИЙ
РЕДЛИХА-КИСТЕРА
Аннотация: Реализовано термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы ВеО-1Ю2 с помощью уравнений Редлиха-Кистера. Расчетная диаграмма состояния удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. Построена зависимость активности компонентов от состава при температуре 2673 К. Наблюдается знакопеременное отклонение значений активности от идеального состояния. Построена зависимость давления пара оксида бериллия над расплавом при температуре 2673 К. В диапазоне концентраций от 5 до 25 мол.% ВеО давление пара составляет от 0,15 до 0,62 Па соответственно.
Полученные результаты могут быть использованы при реализации синтеза ядерного топлива на основе оксида бериллия, а также при разработке мер безопасности для сотрудников, непосредственно работающих с ядерным топливом.
Ключевые слова: фазовые равновесия, диаграмма состояния, уравнения Редлиха-Кистера, оксид бериллия, диоксид урана, ядерное топливо.
E.A. Chernova, D.N. Kamaev, O.I. Bukhtoyarov Kurgan State University, Kurgan, Russia
CALCULATION OF BEO-UO2 SYSTEM BY MEANS OF REDLICH-KISTER EQUATIONS
Abstract: Thermodynamic modeling of the state-transition diagram of BeO-UO2 system by means of the Redlich-Kister equations is carried out. The assumption state-transition diagram well correlates with the experimental data. The component activity dependence on a composition is plotted at temperature 2673 K. An alternating sign deviation of activity values from an ideal condition is observed. The concentration dependence of beryllia vapor pressure over the melt has been plotted at temperature 2673 K. In the concentration range from 5 to 25 mole % BEO the vapor pressure values ranges from 0,15 to 0,62 Pa respectively.
The obtained results can be used for synthesis of beryllia-based nuclear fuel and, besides, for security measure development for the personnel working with nuclear fuel.
Keywords: phase equilibrium, the state-transition diagram, the Redlich-Kister equations, beryllia, uranium dioxide, nuclear fuel.
ВВЕДЕНИЕ
Система BeO-UO2 представляет значительный практический интерес. На основе данной системы в настоящее время получают ядерное топливо для атомных реакторов [1].
Коэффициент теплопроводности диоксида урана при комнатной температуре составляет 3,5 В/(мК) [2]. Вследствие низкой теплопроводности UO2 в процессе работы атомного реактора происходит резкое повышение температурного градиента внутри топлива, что приводит к растрескиванию и деформация ядерного топлива. Коэффициент теплопроводности оксида бериллия составляет 300 В/(мК) [2]. Поэтому введение BeO в диоксид урана в количестве от 5 до 10 об.% (от 5 до 25 мол.% BeO) в виде инертной матрицы позволяет значительно повысить теплопроводность ядерного топлива и, следовательно, снизить риск возникновения чрезвычайной ситуации.
Для синтеза ядерного топлива на основе системы BeO-UO2 необходимы данные по термодинамике этой системы, которые в настоящее время отсутствуют. Поэтому очень актуальным является термодинамическое моделирование системы BeO-UO2.
В настоящей работе реализовано термодинамическое моделирование системы BeO-UO2 с помощью уравнений Редлиха-Кистера.
1. Методика моделирования
Система BeO-UO2 является простой эвтектической [3]. Координаты точки эвтектики составляют 32 мол. % UO2 при температуре 2443 К.
Термодинамическое моделирование диаграммы состояния проводили с помощью уравнений Редлиха-Кистера [4]. Справочные данные температур и энтальпий плавления были взяты из источника [5].
Уравнения Редлиха-Кистера для химического потенциала компонентов бинарной системы выглядят следующим образом:
П
> n° , RT ln X1
(1 . Xj)2[c12
J12(4Xj . 3) , fi2 (12Xj2 . 16Xj , 5)],
(1)
где П - стандартный химический потенциал, ^ -универсальная газовая постоянная, Т - температура, X^
и X
2
■ мольные доли компонентов в расплаве, c12. dv
88
ВЕСТНИК КГУ, 2010. №2
/12 - коэффициенты. Индекс «1» относится к ВеО, индекс «2» - к иО2.
Для расчета коэффициентов уравнения Редлиха-Кистера составляли уравнения равновесий в точке эвтектики, а также в точке ликвидус с координатами 80 мол.% иО2 при температуре 2886 К. Далее решали полученную систему уравнений. В результате получили следующие значения коэффициентов: с12 = -3544, =13580, =21580. На основании рассчитанных коэффициентов строили линию ликвидус диаграммы состояния, рассчитывали активности компонентов системы при различных температурах. Также нами построена зависимость давления пара оксида бериллия над расплавом при температуре 2673 К.
2. Результаты и их обсуждение
Расчетная диаграмма состояния системы ВеО-иО2 приведена на рис. 1.
Линия ликвидус расчетной диаграммы состояния лежит несколько выше по сравнению с экспериментальной. Координаты точки эвтектического превращения расчетной и экспериментальной диаграмм состояния совпадают В целом расчетная диаграмма состояния может быть использована для расчета термодинамических параметров.
I
<в о.
ш
с §
ф S
и02, мол. доля
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Ве0-и02: 1 - экспериментальная диаграмма состояния [3], 2 - расчетная диаграмма состояния
Зависимость активности компонентов от состава при температуре 2673 К приведена на рис. 2.
Наблюдается знакопеременное отклонение значений активности от идеального состояния. Такой результат можно объяснить действием объемного фактора. Ионный радиус катиона Ве2+ составляет 0,031 нм [6], ионный радиус катиона и4+ равен 0,093 нм [7]. По мере увеличения концентрации диоксида урана усиливается взаимное влияние разносортных частиц, поэтому отклонение значений активности от идеального состояния изменяется от положительного к отрицательному [8].
Зависимость давления пара оксида бериллия представлена на рис. 3.
о.
ÎB
с ®
3
I ф
S
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
ВеО, мол. доля Рис. 3. Зависимость давления пара BeO от состава
В диапазоне концентраций от 5 до 25 мол. % BeO, который представляет наибольший практический интерес, расчетные значения давления пара оксида бериллия над расплавом составляют от 0,15 до 0,62 Па. Значения давления пара в данном диапазоне концентраций низкие, поэтому, учитывая токсичность оксида бериллия, можно предусмотреть соответствующие меры безопасности для сотрудников, непосредственно работающих с ядерным топливом на основе данного вещества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://www. eurekalert. org/pub_releases/2005-09/pu-pec092705.php (статья Purdue engineers create safer, more efficient nuclear fuel, model it's performance).
2. Li D.S., Garmestani H., Schwartz J. Modeling thermal conductivity in UO2 with BeO additions as a function of microstructure // J. of Nucl. Mater. - 2009. - № 392. - P. 22-27.
3. Будников П. П. Химия и технология силикатов. - Киев: Наукова Думка, 1964. - С. 19—20.
4. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов В. С. Термодинамика металлургических процессов и систем. - М.: МИСиС, 2009. - 520 с.
5. http://www. chem. msu. su/cgi-bin/tkv.pl?show= welcome. html (Термические константы веществ. Поиск и просмотр информации).
6. Эверест Д.А. Химия бериллия / Пер. с англ. - М.:Химия, 1968. - С. 13.
7. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов: В 2 т. /Под ред. А.Ф. Воробьева. - М.: Академкнига, 2007.- Т. 2.: Химические свойства неорганических веществ. - С. 521.
8. Герасимов Я. И. Курс физической химии: В 2 т. - М.:Хи-мия, 1970. -Т.1. - С. 181.
и02, мол. доля
Рис. 2. Зависимость активности компонентов системы Ве0-и02 от состава:
1 - зависимость активности Ве0 от состава,
2 - зависимость активности и02 от состава
3.5
0.0
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 3
89
