МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ В ЗОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ЛИТИЕВОЙ КЕРАМИКИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ТГА-ИССЛЕДОВАНИЙ

Моделирование термогравиметрических экспериментов является неотъемлемым инструментом для понимания физических и химических процессов, протекающих во время исследований. Этот подход помогает улучшить качество данных и получить более полное представление о происходящих процессах во время термогравиметрического анализа.

В данной работе приведено описание процедуры моделирования ТГА-эксперимента на гравиметре Mettler Toledo TGA/DSC 3+, который совместно с масс-спектрометром, генератором влажности и аналитическими весами входит в состав аналитического комплекса ТиГРа (НЯЦ РК, Курчатов, Казахстан). Приводится описание задачи моделирования процессов теплопереноса в гравиметре, процесса массопереноса реакционного газа и продуктов реакций в камере гравиметра, а также процессов химического взаимодействия литиевой керамики с реакционным газом во время проведения ТГА-экспериментов. В качестве продувочного газа рассматривался гелий с примесью кислорода и паров воды.

Расчеты, проведенные с использованием разработанной модели, показывают, что при скорости подачи продувочного газа 100 мл/сек градиент температуры по образцам будет составлять 2–2,5 ℃, а скорость движения газа в засыпке не будет превышать 0,5 мм/сек. Установлено, что концентрации CO₂, уносимого потоком гелия, над засыпкой и в зоне выхода (в зоне пробозабора масс-анализатора) при различных температурах могут отличаться до 22 раз.

Таким образом, с помощью разработанной модели можно рассчитывать концентрации СО₂, СО и Н₂ в любой точке печи термогравиметра непосредственно над исследуемым образцом, внутри и/или вне засыпки, в области напуска реакционной смеси и в области пробозабора масс-анализатора и т.д. Также, при необходимости, можно определять коэффициенты перерасчета концентраций в различных участках засыпки относительно измеренного значения. С помощью данной модели можно определить параметры химических реакций – начальную концентрацию углерода в засыпке, энергию активации реакций и концентрацию примесей О₂ и Н₂О в продувочном гелии, добиваясь совпадения расчетных и зарегистрированных с помощью масс-анализатора кривых. Разработанная модель имеет практический потенциал для дальнейшего расширения ее аналитических возможностей за счет уточнения списка химических реакций.

1. Konovalov, G.V., Kosovtseva, T.R., Tsybizov, A.V. Numerical simulation of gas dynamics of in-furnace chamber // International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). – 2019. – T. 10. – Issue 2. – P. 1251–1257.

2. Бугрин, И.С. Денисов, М.А. Соловьев, К.Г. Разработка математической модели нагревательной печи с использованием математического пакета ANSYS / Уральский федеральный университет, 2012 г. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/27861/1/ivmim_2011_22.pdf. (Дата обращения 05/08/2023).

3. Lin, K., et al. Numerical methods for industrial vertical Bridgman growth of (Cd,Zn)Te / K. Lin, S. Boschert, P. Dold, K.W. Benz, O. Kriessl, A. Schmidt, K.G. Siebert, G. Dziuk // Journal of Crystal Growth. – 2002. – T. 173. – P. 237–239.

4. Liu, X., Jie, W., Zhou, Y. Numerical analysis on HgCdTe growth by ACRT-VBM / Journal. Crystal Growth. – 2000. – T. 219. – P. 22–34.

5. Kuppurao, S., Brandon, S., Derby, J.J. Analysis of interrupted growth strategies for cadmium telluride and cadmium zinc telluride / Journal of Crystal Growth. – 1996. – T. 158. – P. 459–470.

6. Reed, M.D., Szeles, Cs., Cameron, S.E. Computational modeling of heat transport in a multi-zone high-pressure vertical electro-dynamic gradient CdZnTe furnace / Journal. Crystal Growth. – 2006. – T. 289. – P. 494–501.

7. Liu Jing, et al. Numerical Simulation to Optimize Heating System in Vacuum Carburizing Furnace / Liu Jing, Li Jiadong, Wang Hao-jie, Wang Zhao-dong // Journal of Northeast University (Natural Science). – 2019. – T. 40. – P. 641–645.

8. ANSYS FLUENT 12.0 User's Guide [Electronic resource]. Access mode: https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/main_pre.htm. (Date Accessed 05/08/2023).

9. COMSOL Multiphysics Simulation Software / Software Developers web-site [Electronic resource]. Access mode: https://www.comsol.com/comsolmultiphysics (Date Accessed 11.05.2023).

10. Gordienko, Yu., et al. Research facilities of IAE NNC RK (Kurchatov) for investigations of tritium interaction with structural materials of fusion reactors / Gordienko Yu., Ponkratov Yu., Kulsartov T., Zaurbekova Zh., Koyanbayev Ye., Chikhray Ye. // Fusion Science and Technology. – 2020. – Т. 76 (6). – P. 703–709.

11. Ponkratov, Y., et al. Methodology of Corrosion Testing of Nuclear and Fusion Reactors Materials Using TGA/DSC and MS Complex Techniques / Ponkratov Y., Bochkov V., Samarkhanov K., Karambayeva I., Askerbekov S. // Eurasian Chemical-Technological Journal. – 2019. – T. 21. – P. 35–40.

12. Tazhibayeva, I., et al. Study of liquid tin-lithium alloy interaction with structural materials of fusion reactor at high temperatures / Tazhibayeva I., Ponkratov Y., Lyublinsky I., Gordienko Y., Vertkov A., Tulubayev Y., Samarkhanov K., Bochkov V., Kozhakhmetov Y., Orazgaliyev N. // Nuclear Materials and Energy. – 2022. – T. 30. –101152.

13. Ponkratov, Yu.V., et al. Investigation of the interaction of liquid tin-lithium alloy with austenitic stainless steel at high temperatures / Ponkratov Yu.V., Samarkhanov K.K., Baklanov V.V., Gordienko Yu.N., Kenzhina I.E., Bochkov V.S., Tulubayev Ye.Yu., Orazgaliyev N.A., Saparbek E. // Fusion Engineering and Design. – 2023. – T. 191. – 113560.

14. Bochkov, V., et al. Determination of thermophysical properties of prototypes of tin-lithium alloy by differential scanning calorimetry / V. Bochkov, Y.u. Ponkratov, N. Nikitenkov, Y.u. Baklanova, Y.u. Gordienko, T. Ye, K. Samarkhanov, I. Karambayeva // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – T. 2155. – P. 012016.

15. Chikhray, Y., et al. Hydrogen isotopic effect during the graphite high-temperature corrosion in water vapours / Chikhray Y., Askerbekov S., Kenzhina I., Gordienko Yu., Bochkov V., Nesterov E., Varlamova N. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – T. 44 (55). – P. 29365–29370.

16. Gan, Y. et al. / Yixiang Gan, Marc Kamlah, Jörg Reimann // Fusion Engineering and Design. – 2010. – Т. 85. – P. 1782–1787.

17. Qi, Z., et al. Analysis of CO2 sorption/desorption kinetic behaviors and reaction mechanisms on Li4SiO4 / Qi, Z., Daying, H., Yang, L., Qian, Y., & Zibin, Z. // AIChE Journal. – 2012. – T. 59(3). – P. 901–911.

18. Zarins, Arturs, et al. Influence of chemisorption products of carbon dioxide and water vapour on radiolysis of tritium breeder / Arturs Zarins, Gunta Kizane, Arnis Supe, Regina Knitter, Matthias H.H. Kolb, Juris Tiliks Jr., Larisa Baumane // Fusion Engineering and Design. –2014. – T. 89. – P. 1426–1430.