ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ТРОЙНОЙ СИСТЕМЫ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ НАТРИЙ-КАЛИЙ-ЦЕЗИЙ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР
293 – 973 К
, ,
– ФЭИ имени », г. Обнинск
В работе представлены результаты исследования свойств щелочных металлов системы натрий-калий-цезий в интервале температур 293 – 973 К. Авторами работы впервые обнаружено новое уникальное химическое свойство сплавов щелочных металлов определенного состава системы натрий-калий-цезий. Эти сплавы окисляются на воздухе без воспламенения и видимого выделения аэрозолей и практически без повышения температуры сплава, что обеспечивает снижение пожароопасности сплавов и загрязнения окружающей среды. Компоненты системы химически активны и самовоспламеняются на воздухе: натрий при температуре 393 – 639 К, калий при температуре 333 – 353 К, цезий при температуре 293 – 313 К.
Установлены границы области составов сплавов натрия, калия и цезия, которые не воспламеняются на воздухе в интервале температур 293 – 973 К. Содержание компонентов в этих сплавах составляет в атомных долях: натрий 0,02 – 0,24; калий и цезий 0,19 – 0,69; в масс. %: натрий 0,5 – 7,8; калий 7,6 – 43,7; цезий 46,5 – 89,2.
Показано, что при окислении невоспламеняющихся сплавов системы натрий-калий-цезий концентрация продуктов окисления щелочных металлов в окружающей воздушной зоне составляет величину (0,4 – 1,3).10-2 г-экв. Me/м3 или 0,5 – 0,7 г MeOH/м3 (где Me - суммарная масса натрия, калия и цезия), что в ~100 раз меньше, чем при окислении воспламеняющихся сплавов системы натрий-калий-цезий и натрия.
Установлено, что скорость окисления на воздухе при комнатной температуре (293 К) сплава натрия, калия и цезия эвтектического состава уменьшается в течение первых суток от 1 – 4 г. см-2.сут-1 до 0,02 – 0,10 г. см-2.сут-1 и остается практически постоянной до полного его окисления.
Предложена гипотеза механизма окисления невоспламеняющихся сплавов системы натрий-калий-цезий о преимущественном окислении тройного сплава не в газовой фазе, а в поверхностном слое тройного сплава, находящемся в жидком (расплавленном) состоянии. Аномальное окисление обусловлено образованием легкоплавкой системы продуктов окисления сплавов, эндотермическими процессами растворения продуктов окисления сплавов и перераспределением кислорода между компонентами в жидкой среде невоспламеняющихся сплавов. Образующиеся продукты окисления этих сплавов создают тонкую, эластичную, хорошо растворимую в сплаве пленку с высокой плотностью. Эта пленка является барьером и снижает выход основных компонентов в газовую фазу. Процессы растворения и взаимодействия продуктов окисления являются эндотермическими, приводящими к снижению суммарного теплового эффекта окисления сплава.
Разработан способ приготовления сплавов системы натрий-калий-цезий, позволяющий повысить качество сплава, снизить энергетические затраты, уменьшить пожаро - и взрывоопасность процесса приготовления. Это достигается исключением стадии разогрева и плавления калия и натрия и снижением температуры процесса приготовления сплава за счет последовательного введения твердого калия в расплавленный цезий и твердого натрия в полученный сплав калий-цезий.
Проведен термодинамический расчет равновесных состояний систем тройного эвтектического сплава натрия, калия, цезия и компонентов влажного воздуха, водорода, кислорода с целью обоснования механизма окисления невоспламеняющихся сплавов щелочных металлов.
На основании результатов термодинамического расчета определены состав и содержание компонентов конденсированной и газовой фаз исследуемых систем: эвтектический тройной сплав натрия, калия, цезия – водород, кислород, влажный воздух. Установлено, что конденсированная фаза системы тройной сплав – водород состоит из жидких щелочных металлов с начальным соотношением компонентов до температуры 845 К, гидридов калия и натрия. Газовая фаза системы состоит в основном из паров металлов (одноатомных, одно - и разноименных димеров), их гидридов и водорода в области температур 195 – 1295 К. Установлено, что конденсированная фаза системы эвтектический сплав натрия, калия, цезия – кислород состоит из жидких щелочных металлов с начальным соотношением компонентов до температуры 845 К и оксида натрия в рассмотренном интервале температур. Газовая фаза системы состоит в основном из паров металлов (одноатомных, одно - и разноименных димеров) и оксида Cs в области температур 195 – 1295 К. Конденсированная фаза системы тройной сплав – влажный воздух состоит из жидких щелочных металлов, их оксидов, гидроксидов, карбонатов и гидридов. Газовая фаза этой системы состоит в основном из паров металлов (одноатомных, одно - и разноименных димеров), оксидов калия и цезия, водорода, и углекислого газа в области температур 195 – 1295 К. Расчетные показатели состава конденсированной и газовой фаз рассмотренных систем удовлетворительно согласуются с литературными данными.
Полученные данные термодинамического расчета являются очередным шагом исследования тройной системы натрий-калий-цезий для обоснования механизма окисления невоспламеняющихся сплавов щелочных металлов.
Исследование такого явления может иметь как научный, так и практический интерес для целенаправленного выбора сплавов на основе щелочных металлов в качестве теплоносителей с меньшей экологической опасностью.
