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基于四步反应模型的石墨氧化腐蚀研究

申腾 王城喻 郭少强 贺楷

申腾, 王城喻, 郭少强, 贺楷. 基于四步反应模型的石墨氧化腐蚀研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 169-174. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169
引用本文: 申腾, 王城喻, 郭少强, 贺楷. 基于四步反应模型的石墨氧化腐蚀研究[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 169-174. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169
Shen Teng, Wang Chengyu, Guo Shaoqiang, He Kai. Investigation of Graphite Oxidation Based on Four-step Reaction Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 169-174. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169
Citation: Shen Teng, Wang Chengyu, Guo Shaoqiang, He Kai. Investigation of Graphite Oxidation Based on Four-step Reaction Model[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 169-174. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169

基于四步反应模型的石墨氧化腐蚀研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0169
详细信息
    作者简介:

    申 腾(1988—),男,硕士研究生,现主要从事耐高温慢化剂方面的研究,E-mail: shenteng@cnpe.cc

    通讯作者:

    郭少强,E-mail: guos2019@mail.xjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL342

Investigation of Graphite Oxidation Based on Four-step Reaction Model

  • 摘要: 为了建立气冷微堆堆芯石墨与氧气的腐蚀反应分析方法,本文基于Arrhenius反应式建立石墨氧化腐蚀的四步反应模型。模型的四步反应分别代表石墨与氧气在反应过程中可能发生的4种化学反应,并增加了反应活性面积以模拟失重率对腐蚀速率的影响。通过开展基于气体浓度法的石墨氧化腐蚀实验,得到500~1100℃下不同流量和不同氧气浓度的石墨氧化腐蚀速率,实验数据分别用于腐蚀参数拟合和模型验证。建模及验证分析结果表明,所拟合的四步反应模型能够适用于石墨氧化腐蚀速率的计算分析并能够区分反应产物,且模型反应活性面积的增加更有利于准确预测高失重下的氧化腐蚀速率。

     

  • 图  1  石墨氧化腐蚀实验台架示意图

    Figure  1.  Sketch Map of Graphite Oxidation Experiment Bench

    图  2  10 L/min(标准工况下)流量和不同O2浓度下的rT关系

    Figure  2.  Relationship between r and T at Gas Flow Rate of 10 SLM and Different Oxygen Concentrations

    图  3  反应速率常数k4T的关系

    Figure  3.  Relationship between Oxidation Rate Constant k4 and T

    图  4  实验与COMSOL软件模拟计算的r对比

    Figure  4.  Comparison between Experimental and COMSOL Calculated r

    图  5  实验与COMSOL软件模拟计算的CO浓度对比

    Figure  5.  Comparison between Experimental and COMSOL Calculated CO Concentrations

    图  6  实验与COMSOL 软件模拟计算的CO2浓度对比

    Figure  6.  Comparison between Experimental and COMSOL Calculated CO2 Concentrations

    图  7  实验与COMSOL软件模拟计算的失重率对比

    Figure  7.  Comparison between Experimental and COMSOL Calculated Weight Loss Rates

    表  1  国产核级石墨和IG110核级石墨的物理性质对比

    Table  1.   Properties of Domestic Nuclear Graphite and IG110

    石墨类型 密度/
    (g·cm−3)
    孔隙
    率/%
    热膨胀
    系数/
    10−6K−1
    杨氏
    模量/GPa
    抗压
    强度/MPa
    杂质
    含量/10−6
    国产核
    级石墨
    1.83 12 4.8 11 77 ≤10
    IG110 1.76 19 4.5 9 71 13
    下载: 导出CSV

    表  2  石墨氧化腐蚀实验工况

    Table  2.   Experimental Conditions of Graphite Oxidation Corrosion

    实验
    编号
    温度/
    Qv/
    (L·min−1)
    O2浓度/
    %
    实验
    编号
    温度/℃ Qv/
    (L·min−1)
    O2浓度/
    %
    1201 500 10 10 1202 500 10 20
    1203 550 10 10 1204 550 10 20
    1205 600 10 10 1206 600 10 20
    1207 650 10 10 1208 650 10 20
    1209 700 10 10 1210 700 10 20
    1211 750 10 10 1212 750 10 20
    1213 800 10 10 1214 800 10 20
    1215 900 10 10 1216 900 10 20
    1217 1000 10 10 1218 1000 10 20
    1219 1100 10 10 1220 1100 10 20
    1101 550 20 2.5 1102 550 20 5
    1103 600 20 2.5 1104 600 20 5
    1105 700 20 2.5 1106 700 20 5
    1107 800 20 2.5 1108 800 20 5
    1109 900 20 2.5 1110 900 20 5
    1111 1000 20 2.5 1112 1000 20 5
    1113 1100 20 2.5 1114 1100 20 5
    下载: 导出CSV

    表  3  石墨氧化腐蚀模型中动力学参数

    Table  3.   Kinetic Parameters in Graphite Oxidation Corrosion Model

    反应LU W[2]拟合结果
    A0/
    s−1
    Ea0/
    (kJ·mol−1·K−1)
    A/
    (m3·mol−1·s−1)
    Ea/
    (kJ·mol−1·K−1)
    R11.14×108222.52.3712×106222.79
    R23.27×106189.16.8016×104189.35
    R31.24×108333.62.5792×106334.03
    R41.30×108113.02.6104×106137.38
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-09
  • 修回日期:  2024-07-04
  • 刊出日期:  2025-02-15

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