Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6883

TG-Rig Tests (Thermal Balance) on the Oxidation of B₄C

W. Krauss, G. Schanz, H. Steiner

Abstract
In the frame of a separate-effects test program extensive studies on the oxidation of boron carbide using a Thermal Balance Testing System (Thermo-Gravimetry TG) were performed. The test series included besides the oxidation tests on B₄C, also examinations on B₄C oxidation related compounds (e.g. B₂O₃). The evaluation and interpretation of the experiments was supported by basic modelling with respect to the understanding of occurring mechanisms and first determination of reaction kinetics parameters.

The oxidation tests on B₄C pellets were performed in the temperature range 600 to 1300 °C under flowing Ar/O₂ and wet Ar atmosphere. Two types of pellets were investigated, the first ones had high density (TD = 98%) and the second ones were porous reactor typical absorber pellets (Framatome, TD = 72%).

The evaporation tests on B₂O₃ were conducted in dry flowing Ar and wet Ar atmosphere, in the same temperature range as the B₄C oxidation tests. Wet Ar was produced by passing the Ar stream through a heated water bath with an adjustable temperature between 20 and 60 °C.

The performed tests showed that evaporation of B₂O₃ and oxidation of B₄C is strongly depended on environment conditions. Several mechanisms with different reaction kinetics and dependencies e.g. on temperature are interacting. In simplification the oxidation of B₄C is governed by the formation of B₂O₃ and by the transportation of the boron oxide in the gas phase. This results for long test times under wet Ar atmosphere and other stationary conditions in a constant consumption of B₄C. Porous samples show a more complex and accelerated reaction behaviour compared to dense pellets. At least for modelling of the short time behaviour porosity effects have to be included.

Using the developed modelling tools it could be shown that TG tests and BOX-rig tests, measuring different parameters (mass change and H₂ production, respectively) and working under different environmental conditions, can be compared and lead to the same general oxidation behaviour.

Untersuchungen zur Oxidation von B₄C mittels Thermowaage - Tests - Grundlegende Experimente, Modellierung und Auswertungsansätze

Zusammenfassung
Im Rahmen eines Einzeleffekt-Testprogrammes wurden weit reichende Untersuchungen zur Oxidation von Borkarbid in einem Thermowaagesystem ausgeführt. Die Testserien zur Oxidation von B₄C umfassten auch die Untersuchung von Verbindungen wie z.B. B₂O₃, die bei der Reaktion von B₄C in oxidierender Atmosphäre gebildet werden. Die Auswertung und Interpretation der Experimente wurde durch grundlegende Modellierungsarbeiten unterstützt. Diese sollten zum klareren Verständnis der auftretenden Reaktionsmechanismen beitragen und zusätzlich dazu eine erste Auswertung der Reaktionskinetik erlauben.

Die Versuche zur Oxidation von B₄C wurden im Temperaturbereich 600 bis 1300 °C in strömendem Ar/O₂ Gemisch der Zusammensetzung 80/20 Vol.% und in feuchter Ar Atmosphäre ausgeführt. Eingesetzt wurde 2 Arten von B₄C Pellets. Erstere Art hatte eine Dichte von ca. 98 %. Die zweite Sorte war reaktortypisches poröses Absorbermaterial mit einer Dichte von ca. 72 % (Framatome).

Untersuchungen zur Verdampfung von B₂O₃ erfolgten in fließender trockener und feuchter Ar-Atmosphäre bei gleichen Temperaturbedingungen wie die Oxidationstests. Der feuchte Ar-Strom wurde mittels Durchleiten von trockenem Ar durch ein temperaturgeregeltes Wasserbad im Bereich von 20 bis 60 °C erzeugt.

Die durchgeführten Tests zeigten, dass die Verdampfung von B₂O₃ und die Oxidation von B₄C stark von den Umgebungsbedingungen abhängen. Mehrere Reaktionsmechanismen mit unterschiedlicher Reaktionskinetik und verschiedenen Abhängigkeiten von Versuchsparametern (z.B. Temperatur) treten parallel zueinander auf und stehen gegenseitig miteinander in Wechselwirkung. Die Oxidation von B₄C wird in erster Näherung durch die Bildung von B₂O₃ und durch den Transport von Boroxid in der Gasphase bestimmt. Im Bereich von Langzeittests führt dies zu einem konstanten Verbrauch von B₄C bei der Oxidation in feuchtem Ar-Strom und sonst unveränderten Versuchsbedingungen. Im Gegensatz zu dichten Proben zeigen poröse Pellets ein komplexeres Reaktionsverhalten und höhere Reaktionsraten. Mindestens zur Erzielung einer zutreffenden Beschreibung des Kurzzeitverhaltens müssen Poreneffekte mitberücksichtig und in die Modellierung integriert werden.

Durch Anwendung der entwickelten Modelle konnte gezeigt werden, dass die beiden Versuchsstände – Thermowaagesystem und Box-Teststand – gleiches Reaktionsverhalten für die Oxidation von B₄C liefern, obwohl unterschiedliche Prozessparameter erfasst werden (Masseänderung bzw. H₂-Produktion) und unterschiedliche Umgebungsbedingungen vorliegen.

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