База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в ЯЭУ

Как и все инертные газы ксенон является химическим элементом VIII группы периодической таблицы химических элементов. Ксенон состоит из одноатомных молекул, не имеет цвета, запаха, не горит, не поддерживает горение, плохо растворяется в воде. Инертность ксенона обусловлена насыщенностью его внешней электронной оболочки.

Характерной особенностью этого элемента является достаточно высокая по сравнению с криптоном температура кипения при атмосферном давлении, которая равна - 108^°С (165 K). Температура 17 ^°С (290 К) является для ксенона критической. Ниже этой температуры ксенон находится в жидком состоянии.

В земной атмосфере ксенон присутствует в крайне незначительных количествах, которые составляют 0,087±0,001 миллионной доли. Несмотря на это атмосферный воздух является основным источником его промышленного производства. Кроме того он встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные виды ксенона, например, ¹³³Xe и ¹³⁵Xe, образуются в результате нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах.

В реакторах на тепловых нейтронах присутствие ¹³⁵Xe приводит к нежелательному поглощению тепловых нейтронов, что сказывается на его реактивности и называется отравлением реактора. В начальный период работы реактора количество 135Xe резко увеличивается, а затем выходит на стационарный уровень. После останова реактора число ядер ¹³⁵Xe повышается и достигает максимума. Таким образом, после останова происходит снижение реактивности, обусловленное ростом отравления ксеноном.

В ядерной физике ксенон применяется также для наполнения пузырьковых камер.

Природный ксенон Xe является смесью изотопов ¹²⁴Xe ÷ ¹³⁶Xe, при этом в процентном отношении преобладают изотопы ¹²⁹Xe (26,4%), ¹³¹Xe (21,1%) и ¹³²Xe (26,9%). Рассматриваемый интервал приведенных параметров, r/r_кр ≤0,3 и T/T_кр ≥ 1 относится к состоянию разреженного газа. В этом интервале для описания термодинамических характеристик можно, в первом приближении, использовать уравнение состояния идеального газа рv = RT. Теплофизические характеристики ксенона даны для диапазона температур от 300 до 2500 K и для давления от 0,1 МПа до 6 MПa.

Были проведены три оригинальных обобщения теплофизических характеристик газообразного ксенона Xe при высоких температурах. В работе [25] на основе принципа собственных состояний проведено согласование характеристик одновременно всех инертных газов в разреженном состоянии. В работе [26] обобщение характеристик выполнено с помощью шестипараметрического потенциала межатомного взаимодействия.
Экспериментальные данные о коэффициентах вязкости, теплопроводности для разреженного газа и о втором вириальном коэффициенте в совокупности покрывают диапазон температур до 2000 К. На основе результатов, приведенных в работе [26] проведен расчет таблицы справочных значений μ _о , λ_о до 5000 K. Данные этих таблиц, были аттестованы и зарегистрированы МАГАТЭ, где получили категорию рекомендованных данных. Справочник авторов Зубарева В.Н., Козлова А.Д., Кузнецова В.М. и др. - Теплофизические свойства технически важных газов при высоких температурах и давлениях, М., Энергоатомиздат, 1989 - включает таблицы термодинамических и транспортных характеристик газообразного ксенона Xe при температуре от 500 К при давлении (P ≤16 MПa), а при температуре до 3000 K при давлении (P ≤120 MПa).

По результатам, приведенным в работе [26] выведены формулы, которые даны в этом разделе. Приведенная ниже таблица содержит параметры расчетных соотношений. Достоверность рекомендуемых справочных данных определяется надежностью экспериментов, процедурами согласования данных и использованием физических моделей.

 

 

Удельный объем, плотность

Удельный объем рассчитывается по уравнению состояния с учетом второго вириального коэффициента, м3/кг, [20]:

(1)

где

(2)

T*  =  T/274, температура T измеряется в K, давление P - в Пa,
β₁ = 0,000266243; β₂ = 0,000219567; β₃ =  - 0,000217915; β₄ = - 0,0091279; β₅ = 0,0177392; β₆ = - 0,0138045; β₇ = 0,00377490. Погрешность во всем интервале параметров составляет не более 0,1%.

Изобарная теплоемкость

Удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг·K), [20]:

(3)

где значение B получено по формуле (2.2.3.2), температура Т измеряется в К, давление P - в Па. Погрешность во всем диапазоне параметров составляет не более 0,1%.

Изохорная теплоемкость

Удельная изохорная теплоемкость, Дж/(кг·K), [22]:

(4)

Погрешность не превышает 0,1%.

 

Показатель изоэнтропы [15]:

(5)

Скорость звука, м/с, [22, 25]:

(6)

где k показано выше, r дается в м3/кг, температура Т в К. Погрешность меньше 0,1%.

Удельная энтальпия, Дж/кг, [15]:

(7)

Погрешность не превышает 0,1%.

Удельная энтропия, Дж/(кг·K), [22, 26]:

(8)

где температура T измеряется в K, давление Р - в Пa, B показан выше, P_o  =  0,101325 MПa. Погрешность не превышает 0,1 %.

Коэффициент динамической вязкости, Пa·с, [22]:

(9)

где

(10)

(11)

где T*  =  T/274,1, δ₁ = 0, 46641; δ₁ = - 0,56991; δ₁ = 0,19591; δ₁ = - 387,90; δ₁ = 0,0025900; ζ₁ =  -0,15195; ζ₁ = 2,5412 ; ζ₁ =  - 3,1083; ζ₁ = 0,52764; ζ₁ = 0,50741; ζ₁ =  -0,23042. Погрешность при температуре T  в диапазоне от 300 до 1500 K не превышает 1,5 %, при температуре T  =  1500   2500 K не превышает 2,5 %.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·K), определяется по работе [22]:

(12)

где

(13)

где T*  =  T /274,1, температура T дана в K, давление P - в Пa, η₁ = 0,47; η₂ = - 1,59; η₃ = 1,26; η₄ = 1,26. Погрешность в диапазоне температур T  =  300  -  1500 K не превышает 1,5 %, а при температуре T  =  1500  - 2500 K не превышает 2,5 %.

Данные, приведенные в таблице ниже, рассчитаны по приведенным выше соотношениям. Кроме того, соотношение δ  =  β/r используется для расчета коэффициента кинематической вязкости; γ  =  α/(Hpr) – для коэффициента температуропроводности, и ε  =  δ/γ – для числа Прандтля.

Значения теплоемкости Н в таблице ниже не приводятся, поскольку в исследуемом интервале температур она практически не изменяется и равна 0,16 Дж/(г·К).