Для выполнения задачи по созданию устройств регулируемого ввода растворенного кислорода в ТЖМТ потребовались длительные экспериментальные и расчетные исследования, а также технологические и конструкторские разработки.
В качестве устройств регулируемого ввода растворенного кислорода в ТЖМТ были выбраны массообменные аппараты, реализующие твердофазный метод регулирования ТДА кислорода в ТЖМТ. В твердофазном методе в качестве средства окисления свинцового (свинцово-висмутового) теплоносителя предложено использование твердофазного оксида свинца, размещаемого и удерживаемого в ограниченном по объему участке циркуляционного контура (реакционной емкости), сообщающемся по расплаву с основным контуром.
При этом твердофазное средство окисления (оксид свинца PbO), контактируя с ТЖМТ, растворяется, обогащая расплав кислородом, который далее транспортируется по всему контуру с потоком теплоносителя. Учитывая, что производительность массообменного аппарата существенно зависит от растворимости кислорода в ТЖМТ, а имеющиеся данные по растворимости кислорода, полученные разными авторами, дают разные оценки, то специалистами АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» были выполнены расчетно-экспериментальные исследования для уточнения температурных зависимостей растворимости кислорода в расплавах свинца и свинца-висмута.
Экспериментально исследован эффект «отравления» оксидов свинца металлическими примесями, которые появляются в ТЖМТ в результате его взаимодействия с конструкционными сталями. Показано, что данный эффект связан с химическим взаимодействием примеси железа с поверхностным слоем оксида свинца. При этом глубина слоя взаимодействия составляет от ~ 0,05 мм до 1 мм в зависимости от времени и условий взаимодействия.
Выполнены экспериментальные исследования в условиях жидкометаллического контура по определению коэффициентов гидравлического сопротивления при прохождении ТЖМТ через засыпку из гранул оксида свинца в диапазоне скоростей (0,03–0,67) м/с. На основании полученных экспериментальных данных даны рекомендации для расчета коэффициентов гидравлического сопротивления.
Разработаны и испытаны различные конструкции массообменных аппаратов (МА), которые можно разделить на несколько основных видов в зависимости от побудителя расхода теплоносителя через реакционную емкость МА (место расположения гранул оксида свинца):
- конструкции, где имеет место создание расхода теплоносителя при такой же температуре, как и в окружающем массообменный аппарат расплаве (регулирование расхода);
- конструкции, где реализуется создание конвективного расхода теплоносителя за счет его подогрева (регулирование температуры);
- конструкции, с помощью которых реализуется дозированный ввод порций теплоносителя с относительно повышенной концентрацией растворенного кислорода в больший объем ТЖМТ, где концентрация (или ТДА) кислорода меньше.
С 2000 г. было разработано 57 массообменных аппаратов, которые испытывались и эксплуатировались на циркуляционных стендах (9 типов МА) и стационарных установках (2 типа МА). Суммарное время работы всех МА составляет более 75 000 ч. Результаты разработок запатентованы.
