مقدمه

B4C اصلی ترین بخش تشکیل دهنده میله کنترل در راکتور هسته ای است که جهت تنظیم واکنشهای زنجیره ای شکافت سوخت اورانیوم بکار می روداز. آن جاییکه این ماده در دماهای نسبتاً پایین تمایل به اکسیده شدن دارد، مطالعه روی فرایند اکسایش آن به عنوان اصلی ترین واکنشی که در میله های کنترل تاسیسات هسته ای مورد توجه است، دغدغه بسیاری از گروه های تحقیقاتی استاین. ماده در دمای نسبتاً پایین ۶۰۰°C در هوا شروع به اکسایش می کند و اکسایش سبب تغییرات قابل توجهی در ترکیب و ساختار شیمیایی ناحیه سطحی آن می شود در نتیجه می تواند اثرات منفی ایی روی کارایی آن بگذارد. زمانیکه کاربید بور تحت اتمسفر هوا قرار می گیرد، واکنش های زیر بین کاربید بور و اکسیژن و یا بین کاربید بور و بخار آب محتمل است .[۱]

B4C(s) + 4O2(g) = 2B2 O 3(l) + CO2(g) (1)

B4C(s) + 7/2 O2(g) = 2 B2O3(l) + CO (g) (2)

B4C(s) + 8 H2O(g) = 2B2O3(l) + CO2(g) + 8H2(g) (3)

۹۵۶

B4C(s) + 7 H2O(g) = 2B2O3(l) + CO(g) + 7 H2(g) (4)

B4C(s) + 6 H2O(g ) = 2B2O3(l ) + C(s) + 6H 2(g) (5)

B4C(s) + H2O(g) = 2B 2O3(l) + CH 4(g) + 4 H2(g) (6)

تمامی واکنش های فوق از لحاظ ترمودینامیکی امکان پذیر بوده انرژی آزاد گیبس منفی دارند. در میان این واکنش ها واکنش (۱) از لحاظ ترمودینامیکی محتملتر است بنابراین B2O3 اصلی ترین محصول واکنش اکسایش کاربید بور تلقی می شود .[۲] در مورد اکسایش B4C سرامیکی یا پودری گزارشاتی در مقالات ارائه شده است ۳] و .[۴ در این گزارشات اثر عوامل گوناگونی که می توانند بر اکسایش و سرعت آن موثر باشند، بررسی شده است. اما آزمایشات و تحقیقات در این زمینه در شرایط نا یکسان انجام شده و در بسیاری از موارد نتایج کار همه گروه های تحقیقاتی همسو نیست. بنابراین با توجه به اهمیت موضوع لازم است فاکتورهای مهم تاثیرگذار بر انرژی اکتیواسیون واکنش ساکایش مانند مورفولوژی و میزان تخلخل، اندازه ذرات B4C، دمای اکسایش، افزودن ناخالصی ها در شبکه کریستالی و نوع اتمسفری که در آن اکسایش اتفاق می افتد، مورد بررسی های جامع قرار گیرد. در این تحقیق اثر افزودنی های TiB2 و کربن فعال بر رفتار اکسایشی قرص های کاربید بور بصورت غیر ایزوترمال مورد مطالعه قرار می گیرد.

روش کار

در این تحقیق با استفاده از پودر های کاربید بور، کربن اکتیو و TiB2 بوسیله روش پرس سرد قرص تهیه شد. برای تهیه هر دو نمونه قرص کاربید بور خالص و قرص کاربید بور با افزودنی ۲/۵ درصد کربن و ۲/۵ درصد TiB2 از روشی یکسان استفاده شد. ابتدا پودرها در آون در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱ ساعت خشک شد. در مرحله بعد پودرها به مدت ۵ دقیقه در آسیاب گلوله ای با ۱۴۰دور دقیقه مخلوط شدند. سپس به مخلوط پودر های تهیه شده چسب اضافه شد (چسب مورد استفاده از حل کردن PEG 10000 در استو نیتریل با نسبت حجمی ۱ به ۳ تهیه و به ازای ۷ گرم پودر، ۲cc چسب اضافه شد). سپس مخلوط پودرهای کاربید بور و افزودنی ها در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد به مدت ۱ ساعت در آون خشک شد. سپس به مدت ۱۰ دقیقه در آسیاب گلوله ای با ۱۴۰ دور بر دقیقه قرار داده شد و بعد تحت پرس سرد تحت فشار ۴۵۰ مگا پاسکال قرار داده شد. در نهایت عملیات زینترینگ قرصهای کاربیدبور در کوره زینترینگ در دمای ۲۰۰۰oC تحت اتمسفر گاز آرگون و به مدت ۱ ساعت انجام شد. نرخ افزایش دمای کوره ۱۰oC/min در نظر گرفته شد. بعد

۹۵۷

از اتمام زمان زینترینگ اجازه داده شد تا کوره به طور طبیعی تا دمای محیط سرد شود. به منظور بررسی اثر مواد افزودنی در روند اکسایش غیر ایزوترمال کاربید بور از آنالیز های حرارتی کالریمتری روبشی دیفرانسیلی (DSC: ) و وزن سنجی دمایی ( (TG: استفاده شد. در تمامی آزمایشات اکسایش غیر ایزوترمال کاربید بور، سرعت افزایش دما ۱۰ C/min است.