Разработка ГДП стенда. НИР печать. Отчет о научноисследовательской работе исследование проникновения изотопов водорода через материалы тяр
 Скачать 0.77 Mb.
|
3. Расчёт потока, проникающего через металлическую мембрануКоэффициент диффузии в веществе описывается 1-ым законом Фика [v]:  - коэффициент диффузии;Где  - коэффициент диффузии,  - энергия активации диффузии, k – постоянная Больцмана, Т – температура в Кельвинах.Растворимость водорода в материале зависит следующим образом[v]:  – растворимость;Где  – коэффициент растворимости,  - энергия активации растворимости.Если у поверхностей однородной плоской мембраны в отсутствии внешних сил концентрации водорода составляют С1 и С2, то диффузионный поток через мембрану равен[v]:  ,Где  – концентрация в 1 камере,  - концентрация во 2 камере, L - толщина мембраны.Согласно закону Сивертса[v]:  ; В случае, если с одной стороны плоская мембрана взаимодействует с газообразным водородом при некотором давлении Р, а вторая поверхность находится в вакууме, и десорбция с обратной поверхности быстрая,  . Тогда поток водорода сквозь мембрану описывается формулой:  ;Окончательно диффузионный поток можно описать формулой:   ;Определим, как поток водорода сквозь мембрану зависит от площади мембраны, толщины мембраны, давления над лицевой поверхностью, температуры при прочих фиксированных параметрах. Качественно зависимость проникающего потока от толщины мембраны изображена на рис. 7. С увеличением толщины мембраны проникающий поток падает как 1/x.  Рис. 7. Характер зависимости проникающего потока от толщины мембраны при прочих фиксированных параметрах 2. Зависимость проникающего потока от давления над лицевой поверхностью мембраны. С увеличением давления проникающий поток возрастает как  . Рис. 8. Характер зависимости проникающего потока от давления над лицевой поверхностью мембраны при прочих фиксированных параметрах. 3. Зависимость проникающего потока от температуры. С увеличением температуры проникающий поток возрастает как  .  Рис. 9. Характер зависимости проникающего потока от температуры при прочих фиксированных параметрах. 4. Зависимость проникающего потока от площади мембраны. При увеличении толщины мембраны проникающий поток увеличивается линейно.  Рис. 10. Характер зависимости проникающего потока от площади мембраны при прочих фиксированных параметрах. В программе MathCad были рассчитаны величины потоков дейтерия, проникающих через различные мембраны площадью 1 см2 из газа. Результаты расчётов приведены в таблице 1. Таблица 1. Расчётные значения проникающих потоков через плоские металлические мембраны площадью 1 см2 при воздействии газообразного дейтерия на одну из поверхностей мембраны.
Из таблицы видно, что при росте температуры и давления поток увеличивается, а при увеличении толщины мембраны уменьшается. Для измерения газовых поток использован квадрупольный масс-спектрометр(QMS) Extorr XT100M. Нужно понять при каких параметрах эксперимента мы сможем зарегистрировать проникающие потоки. QMS измеряет парциальное давление газов. Чувствительность QMS составляет до 10-14 мбар. Нужно понять к какому приращению парциального давления будет соответствовать рассчитанный проникающий поток. Объём камеры регистрации был оценен как 1000 см3. Согласно [ix] при достижении предельного давления:  ,Где Pп – предельное давление в системе, S – скорость откачки, Qд – газ, дессорбирующийся с поверхности, Qп – газ, проникающий из вне, Qи – газ, проникающий обратно из насоса. Предположим, что в какой-то момент времени в камеру регистрации начал поступать поток газа, проходящий через нагреваемую мембрану. Через некоторое время установится новое равновесие при некотором давлении Pп2.  , Где Qперм – проникающий поток. Приращение парциального давления обусловлено проникновением газа через мембрану и связано с проникающем потоком выражением:  .Приращение парциального давления  Мы планируем откачивать камеру регистрацию турбомолекулярным насосом, со скоростью откачки Sn=260 л/с. Входной диаметр насоса составляет 100 мм. Основа вакуумной камеры будет – крест с фланцами, с проходными диаметрами 38 мм. Между насосом и камерой будет расположен переходник с DN40CF на DN100CF. Переходник длинной 15 см. Если насос, имеющий скорость откачки S, соединён с откачиваемой системой трубопроводом проводимостью С, то скорость откачки всей системы равна[ii]:  .Для расчёта проводимости короткого трубопровода наиболее удобна форма записи расчётного выражения, предложенная Клаузингом [x].При комнатной температуре:  Где F – площадь сечения трубопровода, k – коэффициент Клаузинга, зависящий от соотношения длины и диаметра трубопровода. k можно найти в справочных таблицах[iii]. Для диаметра трубопровода 38 мм и длины 150 мм k=0,23. Соответственно проводимость трубопровода составляет 0,027 м3/c. Значит скорость откачки системы равна 24 л/c или 0,024 м3/c. Исходя из значений приращения давления и величины проникающего потока по результатам расчётов можно сделать вывод, что в нашем случае возможны исследования со следующими материалами, а именно: W, F82H и Cu. 4. Выводы и план дальнейших работПроизведено ознакомление с материалами по проницаемости водорода сквозь различные металлы. 1. Были изучены литературные источники об экспериментах по исследованию проницаемости материалов при взаимодействии с газообразным водородом. Составлено представление об организации таких экспериментов. 2. Оценены потоки, проникающие через плоские мембраны из ряда материалов ТЯР. 3. Произведена оценка возможности регистрации проникающих потоков в разрабатываемой установке. 4. Сделаны выводы о предпочтительной геометрии мембран для ряда материалов. План работ на следующий семестр: Знакомство с литературой о переносе водорода сквозь металлы Разработка и изготовление мишенного узла для проектируемого ГДП-стенда Сборка ГДП-стенда для дальнейшего исследования проникновения дейтерия сквозь мембраны из газовой фазы. 5. Список использованной литературыi1. Feng Liu, Haishan Zhou, Ziao-Chung Li, Yuping Xu et al., J. Nucl. Mater., 2014, Vol. 455, I. 1–3, pp. 248-252 ii2 Dean A.Buchenauer, Richard A.Karnesky, Zhigang Zak Fang, Chai Ren et al., J. Fusion Eng. a. Design, Vol.109-111, pp.104-108, 2016 iii3 Thu Hoai Nguyen, Shinsuke Mori, Masaaki Suzuki., Chemical Engineering J., Vol. 155. l.1-2, pp. 55-61, 2009 iv4 Keiichiro Uehara, Kazunari Katayama, Hiroyuki Date, Satoshi Fukada et al., J. Fusion Eng. a. Design, Vol.98-99,pp.1341-1344, 2015 v5 А.А. Писарев, И.В.Цветков, Е.Д. Маренков, С.С. Ярко, Проницаемость водорода через металлы, -М,-2008,- С.6 vi6 Ogorodnikova O.V., J.Nucl.Mater. Vol. 290-293, 2001, PP.459-463 vii7 S.J.Noh, W.J.Byeon, H.S.Kim, Jaeyong Kim., J.Nucl.Mater. Vol. 112-118, 2016, PP.118 viii8 S.J.Noh, W.J.Byeon, H.S.Kim, Jaeyong Kim., J.Nucl.Mater. Vol. 112-118, 2016, PP.118 ix9 Г.Левин, Основы вакуумной техники, М.1999г, стр. 84 x10Вакуумная техника, справочник под ред. Е.С.Фролова и В.Е.Минайчева. М.1992г, стр. 50-51 |
,Па