Typické nečistoty obsažené v plynném chladivu Typické nečistoty obsažené v plynném chladivu vysokoteplotních a fúzních reaktorů a možnosti jejich vysokoteplotních a fúzních reaktorů a možnosti jejich odstranění, vliv nečistot na životnost konstrukčních odstranění, vliv nečistot na životnost konstrukčních

materiálůmateriálů

Michal ČernýVedoucí práce: Ing. Jan Berka, Ph.D.

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší

Praha, duben 2009

Semestrální projekt

Vysokoteplotní plynem chlazené reaktoryVysokoteplotní plynem chlazené reaktory

Koncepty reaktorů čtvrté generace - VHTR

International Thermonuclear

Experimental Reactor

Nečistoty obsažené v heliu a jejich působení Nečistoty obsažené v heliu a jejich působení na konstrukční materiályna konstrukční materiály

Nečistota Koncentrace [ml/m3] Vliv na konstrukční materiályO2 <0.1 Oxidace kovů, grafituN2 <1.5 Patrně nevýznamný vliv

H2, T2 20 - 500 Vodíkové křehnutíH2O <1 Podíl na oxidačních reakcíchCO 1 - 300 Nauhličování, oduhličováníCO2 0.1 - 10 Nauhličování, oduhličováníCH4 2 - 40 Nauhličování, oduhličování

prach - Poškození erozí

Předpokládané koncentrace nečistot v HTR heliu

Koncentrace nečistot se neustále mění, jsou ovlivňovány náhodnými vlivy, reagují s konstrukčními materiály a mezi sebou

Zdroje nečistot v heliuZdroje nečistot v heliu

Experimentální smyčka HTHLExperimentální smyčka HTHL

compressors

Cooler

heater

CuO

-70°C

-160°C

Liquid N2

H2O

O2H2 CH4 N2 CO CO2

Active channel

He

Dosing system

Dosing and helium purification system

GC-MS

Purity control system

Sampling

Mechanical filters

Cat

alyt

ic o

xida

tion

250°

C

Mol

ecul

ar s

ieve

ads

orbe

r25

°C

Low temperature adsorber

900°C

Max. teplota 900 °C

Tlak – 7 MPa

Průtok He – 38 kg/hod

Aktivní kanál bude umístěn v reaktoru

LVR-15

Systém čištění helia – průtok helia 3,8 kg/hod, prach zachycován na mechanických filtrech, H2, T2, CO jsou oxidovány na CuO při 250°C, CO2, H2O adsorbovány na molekulových sítech, CH4, N2 odstraňovány pomocí nízkoteplotní adsorpce

Cíle práceCíle práce

Navrhnout a sestavit experimentální aparaturu

Provést výběr a předběžné testy adsorbentů, vhodných pro čištění helia ve smyčce HTHL

Předběžné testování materiálů v prostředí helia

Experimentálně ověřit zvolený postup a vyhodnotit získané výsledky

Předběžné testy odstranění vody Předběžné testy odstranění vody metodou adsorpcemetodou adsorpce

• Proběhl předběžný test odstranění nízké koncentrace vody z plynu pomocí adsorpce

• Pomocí směšovací stanice Panametrics MG 101 připravena směs dusík + voda o koncentraci cca 900 ml/m3

• Byl použit adsorbent Tamis moleculaires a silikagel, adsorbér 28x0,88 cm, průtok asi 5 l/min, zrnitost 0,5 – 1 mm, patm

• Přístroje pro stanovení vody v plynu: Bartec Hygrofil F 5672, GE Hygro M4/D2

Před spuštěním smyčky HTHL jsou plánovány předběžné experimenty, jejichž cílem je ověřit možnost aplikace zvolených postupů pro smyčku HTHL.

Experimentální aparaturaExperimentální aparatura

1-tlaková láhev s redukčním ventilem, 2-směšovací stanice Panametrics MG 101, 3-adsorbér, 4-analyzátor vlhkosti Bartec Hygrofil F5672, 5-analyzátor vlhkosti General Eastern Hygro M4/D2, 6-mokrý plynoměr

1

2

3

4 5

6

Testování materiálů v prostředí héliaTestování materiálů v prostředí hélia• Testovány byly vzorky ocelí T91 a 316 SS, vzorek grafitu• Pro testování vzorků ocelí ve vakuové peci byl navržen a zkonstruován držák

vzorků, cílem bylo ověřit spolehlivost materiálů za vysoké teploty v prostředí helia

• Vzorky ocelí v držáku byly umístěny ve vakuové peci po dobu 24 hodin, teplota 500 – 750 °C, průtok helia činil 0,1 l/min, po ukončení experimentu provedena analýza metodami XPS, SEM

• Vzorek grafitu o hmotnosti cca 31 g, rozměrech 35x20x10 mm byl umístěn ve vakuové peci po dobu 1 – 12 dnů, teplota 900 °C, testováno s průtokem helia 0,1 l/min a bez průtoku. Sledovány byly změny hmotnosti.

Výsledky měření – adsorpce vodyVýsledky měření – adsorpce vody

Adsorpční kapacita – výpočtem 0,056 g/g, vážením 0, 036 g/g

00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00

-40

-35

-30

-25

-20

190

315

510

809

1256

Průběh asorpce - silikagel

Kon

cent

race

[ml/m

3 ]

Ros

ný b

od [°

C]

Čas [HH:MM]

Výsledky měření – adsorpce vodyVýsledky měření – adsorpce vody

Adsorpční kapacita – výpočtem 0,114 g/g, vážením 0, 102 g/g

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:000

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Průběh adsorpce - Tamis K

once

ntra

ce v

ody

[ml/m

3]

Čas [HH:MM] GE Hygro M4/D2 Bartec Hygrofil F 5672

Výsledky měření – testy materiálůVýsledky měření – testy materiálů

Testy materiálu T 91 a 316SS

Testy vzorku grafitu

• Změna hmotnosti částí držáku a vzorků se pohybovala mezi 0,001 – 0,0001 g

• Po expozici povrch vzorků většinou namodralý, nebyly pozorovány deformace ani svaření

• Analýza metodou SEM/EDX potvrdila přítomnost porézní oxidické vrstvy na povrchu vzorků, nárůst povrch. koncentrace kyslíku, u 316 SS také uhlíku

• Vzorky oceli 316 SS byly analyzovány metodou XPS, na povrchu vzorku po expozici byla doložena přítomnost oxidů Fe, Mn, Cr, také uhlík ve formě karbidů, zejména karbidu chromu, u povrchu stoupá koncentrace Mn

• Při průtoku helia 0,1 l/min pozorovány úbytky hmotnosti lineárně stoupající v závislosti na čase, bez průtoku helia úbytek hmotnosti vyšší, ve směru proudění helia povrch vzorku mírně změnil barvu

Srovnání povrchů vzorků oceli T91, před a po expozici, metoda SEM, zvětšení 20000x

Výsledky měření – testy materiálůVýsledky měření – testy materiálů

Srovnání povrchů vzorků oceli 316SS, před a po expozici, metoda SEM, zvětšení 20000x

Výsledky měření – testy materiálůVýsledky měření – testy materiálů

Expozice grafitu v heliu

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0 2 4 6 8 10 12 14

Čas [dny]

Úby

tek

hmot

nost

i [g]

Průtok helia 0,1 l/min Bez průtoku helia

ZávěrZávěr• S použitím sorbentu Tamis moleculaires bylo dosaženo snížení

koncentrace vody z cca 900 – na 25 ml/m3, s použitím silikagelu bylo dosaženo snížení koncentrace vody na cca 170 ml/m3. Adsorpční kapacita stanovená vážením činila pro silikagel 0,036 g/g, pro Tamis 0,102 g/g.

• Ověřena spolehlivost držáku vzorků do teploty 750 °C

• Přítomnost oxidů na povrchu vzorků ocelí značí průnik menšího množství vzduchu, pro jeho odstranění bude přidána grafitová vata

• Změny hmotností vzorku grafitu po expozici svědčí o průniku menšího množství nečistot.

• V budoucnu je plánováno použití metody FTIR pro stanovení koncentrací nečistot po adsorpci. U vzorků konstrukčních materiálů P91 a 316SS jsou plánovány testy lomové houževnatosti v závislosti na působení teploty a expozice v HTR heliu.

Děkuji za pozornostDěkuji za pozornost