№ 3 (2023)

В статье обобщены результаты исследования свойств межфазного слоя в расслаивающихся смесях LiF + KBr, LiF + CsCl, LiF + RbBr, LiF + KI, LiF + CsBr, LiF + RbI, LiF + CsI, LiCl + AgBr, LiCl + AgI и NaCl + AgI. Установлено, что толщина межфазного слоя увеличивается с ростом температуры, стремясь к бесконечности вблизи критической температуры смешивания. При равных температуре и соотношении размеров ионов толщина межфазного слоя в расплавах, содержащих галогениды серебра, оказалась меньшей, чем в смесях галогенидов щелочных металлов. Энергия образования поверхности для смесей галогенидов щелочных металлов уменьшается по мере увеличения температуры, подчиняясь в окрестностях критической температуры смешивания степенному уравнению с критической экспонентой, равной 1/5. Критическая экспонента для Гальвани-потенциала для смесей, содержащих галогенид серебра, оказалась на 18% меньше критической экспоненты для межфазного натяжения, что связано с особенностями химической связи галогенидов серебра. Показано, что при одинаковой температуре рост разности в размерах смешиваемых ионов приводит к увеличению энергии и уменьшению диффузности переходного слоя вследствие уменьшения взаимной растворимости компонентов в этом направлении.

Исследование направлено на разработку математических моделей и программного обеспечения на их базе, позволяющего симулировать комплексные процессы структурно-фазовых превращений для материалов нового поколения, таких как материалы с фазовыми переходами (PCM), биомедицинские материалы, материалы для аддитивных производств, а также материалы для космической отрасли. В работе выполнено математическое описание модели энтальпии-пористости. Для описания движения жидкости во времени и пространстве использованы уравнения гидродинамики вязкой жидкости. Выполнен анализ необходимых ограничений и допущений в модели, связанных с рассмотрением ламинарных течений и ньютоновской модели жидкости. Выполнена постановка вычислительной задачи в терминах метода конечных объемов, а также дискретизация вычислительной области и уравнений гидродинамики. Для расчетов использовалось программное обеспечение OpenFOAM, открытая интегрируемая платформа для численного моделирования задач механики сплошных сред. С ее помощью построен вычислительный алгоритм OpenFOAM для анализа физического состояния системы с учетом начальных и граничных условий в случае кондуктивного и конвективного теплопереноса. Проведены симуляции таяния галлия и произведена верификация модели для кондуктивного и конвективного случаев. Показано, что в кондуктивнном случае плавление материала происходит равномерно вдоль источников тепла, в то время как различные скорости конвекционных потоков оказывают значительное влияние на формирование границы плавления. Развитые в рамках исследования математические модели, а также выведенные на их основе аналитические зависимости и проведенные компьютерные симуляции могут быть применены для описания реальных экспериментальных данных о росте кристаллов в пересыщенных растворах и переохлажденных расплавах.

При плавке литейных алюминиевых сплавов наблюдаются их угар или точнее, окисление газовой фазой печи. Для выбора оптимального режима плавки сплавов необходимо знание физико-химических закономерностей данного процесса, которые мало изучены. Для изучения кинетики окисления металлических расплавов используется метод непрерывного взвешивания образца, применяемый обычно при изучении высокотемпературной коррозии твердых металлов. Механизм взаимодействия жидких металлов с кислородом близок по природе к высокотемпературной газовой коррозии твердых металлов. В обоих случаях имеет место адсорбция газовых молекул на поверхности металла, зарождение, а затем рост пленки оксида. В работе методом термогравиметрии исследована кинетика окисления модифицированных стронцием расплавов АЛ2, АЛ4 и АЛ9 кислородом воздуха. Показано, что добавки стронция до 0.1 мас. % повышают окисляемость расплавов. Рост температуры способствует увеличению скорости окисления указанных расплавов. Процесс окисления исследуемых расплавов подчиняется параболическому закону. Истинная скорость окисления имеет порядок 10^–4 кг/м² · с. Кажущаяся энергия активации окисления в зависимости от количества модификаторов в сплавах составляет: для сплава АЛ2 – 56.52–43.75 кДж/моль, сплава-АЛ4 59.74–37.09 кДж/моль, сплава-АЛ9 61.40–39.90 кДж/моль. Установлен механизм влияния стронция на кинетику окисления расплавов АЛ-2, АЛ-4 и АЛ-9. Доминирующую роль в формирования защитной оксидной пленки играет оксид алюминия Al₂O₃.

Экспериментальные исследования плотности и электрического сопротивления сплавов Al₈₆Ni₆Co₂РЗМ₆ (РЗМ = Sm, Tb) проведены в широком температурном интервале, включая кристаллическое и жидкое состояния. Плотность измеряли методом проникающего гамма-излучения, а электросопротивление – бесконтактным методом во вращающемся магнитном поле. Определены температуры солидус, ликвидус, коэффициенты теплового расширения и относительные изменения плотности и сопротивления при плавлении. Рассчитаны молярные объемы сплавов. Установлено, что исследованные составы характеризуются широкой областью двухфазного состояния, в которой температурные зависимости плотности и электросопротивления имеют нелинейный вид. При температуре ликвидус обнаружено скачкообразное увеличение плотности и уменьшение электросопротивления. Установлено, что тербий увеличивает плотность сплавов и снижает их удельное сопротивление больше, чем самарий. В жидком состоянии при T ≤ 1300–1350 K зафиксирован гистерезис плотности и показано его отсутствие на политермах сопротивления. Это может свидетельствовать о процессах распада крупномасштабных неоднородностей, которые не влияют на параметры электронной подсистемы сплавов, но играют важную роль при аморфизации. Обнаруженные особенности свойств позволят оптимизировать процесс подготовки расплавов перед быстрой закалкой для получения качественных аморфных и нанокристаллических образцов.

Технология пирохимической переработки смешанного нитридного уран-плутониевого отработавшего топлива, реализуемая на опытно-демонстрационном энергетическом комплексе площадки Сибирского химического комбината включает несколько определенных операций с конечной целью выделения целевых продуктов деления. Предпоследней стадией переработки планируется использовать электрорафинирование продуктов предыдущей стадии – металлизированного отработавшего ядерного топлива. Для реализации электролитического рафинирования необходимо определить процессы и технологические режимы электролитического рафинирования сплавов, моделирующих продукт этой стадии модуля переработки. В настоящей работе представлены результаты электрорафинирования модельных сплавов (моделирующих сырье стадии электорафинирующей переработки) на укрупненном лабораторном электролизере. Начальные параметры процессов рафинирования урана в расплавах на основе 3LiCl–2KCl–UCl₃ были определены ранее. Базовыми параметрами рафинирования являлось использование электролита 3LiCl–2KCl–UCl₃ (10.1 мас. % UCl₃) и проведение экспериментов при 550°C. Урановые сплавы, содержащие палладий и неодим, были приготовлены прямым сплавлением металлического урана, порошков металлического палладия марки ПдАП-1 и металлического неодима (99.99%) в среде высокочистого аргона (99.998%). Полученные данные показали, что при температуре 550°C катодные осадки представляют из себя типичные дендритные формы альфа-урана в ромбической сингонии со склонностью к иглообразованию при увеличении катодной плотности тока. Увеличение времени кампании и катодной плотности тока приводит к снижению выхода по току вследствие короткого замыкания электродов иглами катодного осадка или осыпания металла с катода. В результате проведения электрорафинирования экспериментально уточнены режимы катодного процесса. При электрорафинировании сплавов U–Pd(1.59 мас. %), U–Pd(1.62 мас. %), U–Pd(1.54 мас. %), U–Pd(1.58 мас. %)–Nd(5.64 мас. %), U–Pd(1.84 мас. %)–Nd(6.49 мас. %), U–Pd(1.79 мас. %)–Nd(6.54 мас. %), были получены катодные осадки урана, которые подвергли химическому анализу, показавшему высокую чистоту получаемого металлического урана, а также отсутствие в нем металлического палладия и молибдена. Коэффициент очистки по палладию превышает 5000, коэффициент очистки по неодиму свыше 1000, что соответствует требованиям, предъявляемым к очистке от продуктов деления на данном этапе пирохимической переработки отработавшего топлива. Палладий накапливается в анодных шламах, в то время как основная масса неодима переходит в расплавленный электролит.