Theoretical investigation of dielectrophoresis and electrophoresis as techniques for silver deflections

Mokgalapa, Naphtali Malesela (2012-12)

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2012.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The primary circuit components of very high temperature reactors (VHTRs) experience various unwanted fission products such as Kr, Xe, I, Cs, Sr, and Ag. These particle are generated during normal operation of the reactor from abaration, cracks and/or deffects are transported by the helium coolant. The main candidate that has been identified as a cause for concern and the focus of research to minimizing radioactive contamination of the reactor coolant circuit is silver. This is because the design of the coated particles limits the release of fission products into the coolant except for silver(Ag110m). Ag110m is a long lived metallic fission product formed inside the nuclear reactor core and is the only known element released out of the coated particles into the coolant at any temperature above 1150 ◦C when the reactor starts to heat up. The release occurs on intact coated particles, failed particles and also from defective particles. The amount of released silver is initially small and occurs as the pebble heats up and this is strongly dependent on the temperature of the core. It is therefore able to reach the surface of the reactor core and enter into the Helium coolant flowing throughout the reactor. Thus Ag110m will be circulated through the reactor circuit until it reaches the cooler sides of the main power system (MPS) where it will start to plate out. The presence of this radioactive silver in the primary circuit components may result in unwanted maintenance problems from a radiation hazard point of view. The development of a method to remove particles from the helium stream is therefore needed. In this work, two theoretical deflection models used to deflect the silver particles are proposed, namely the stochastic and the deterministic deflection models. The latter describes the deflection of microparticles in a helium medium. It uses the dielectrophoresis (DEP) technique to investigate the deflection of a silver µm moving in a helium medium with the bulk velocity of 0.021 ms−1 and subjected to a dielectrophoretic force only deflect an amount of 0.52039 nm and 4.49882 nm in the x - and z -directions on average. The former (stochastic deflection model) describes the deflection of ions and polarized particles by using probability theory, namely kinetic theory of gases. This model showed that the mean free time that the particle spends while deflected by a uniform electric field is short so much that there is not enough time for a silver particle to be appreciably deflected between collisions. For example, when an electric field of 100kV/m was applied on a single silver ion for a time of 0.1 µs, the deflection distance obtained was 33.38 mm for a free time of 0.189285 ns and under pressure and temperature conditions of 1 bar and 20◦ C. The Brownian motion was then compared to the effects of a nonuniform electric field in polarizing and deflecting an atom. This is done by comparing the Brownian motion and the polarizibility of an atom using nonuniform electric fields. It is found that the silver speed produced from Brownian motion (79.563 ms−1) is far larger than that produced from the polarizibility of an atom (4.69455×106 nms−1). The deterministic and stochastic deflection models using nonuniform electric fields proved that the dielectrophoresis technique is negligibly small in deflecting particles and cannot be used to deflect silver particles as required in a VHTR.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Die primˆere siklus komponente van baie ho temperatuur reaktore (VHTRs) word bloodgestel aan verskeie ongewenste fisie produkte soos Kr, Xe, I, Cs, Sr, en Ag. Hierdie deeltjies word gegenereer gedurende normale werking van die reaktor van abarasie, krake en / of defekte word vervoer deur die helium verkoelingsmiddel. Die belangrikste kandidaat wat gedentifiseer is as ’n rede vir kommer en die fokus van navorsing op die minimalisering van radioaktiewe besoedeling van die reaktor verkoelingsmiddel siklus is silwer. Die rede hiervoor is die ontwerp van die omhulsel wat die vrylating van die fisie produkte in die koelmiddel behalwe vir silwer (Ag110m) beperk. Ag110m is ’n metaal fisie-produk met ’n lang leeftyd wat gevorm word binne-in die kern van die reaktor en is sover bekend die enigste element wat vrygestel word deur die bedekte deeltjies in die verkoelingsmiddel by enige temperatuur bo 1150 ◦C wanneer die reaktor begin verhit. Die vrystelling kom voor by ongeskonde brandstofomhulse, nie funksionele deeltjies en ook van gebrekkige deeltjies. Die bedrag van vrygestel silwer is aanvanklik klein en kom voor as die brandstofelemente verhit en heirdie vrystelling is sterk afhanklik van die temperatuur van die kern. Dit is dus in staat om die oppervlak van die reaktor kern te bereik en betree die Helium verkoelingsmiddel vloeistelsel en beweeg regdeur die reaktor. Dus sirkuleer die Ag110m deur die reaktor kring totdat dit die koeler kante van die MPS bereik waar dit sal begin uitplatteer. Die teenwoordigheid van hierdie radioaktiewe silwer in die primˆere stroombaan komponente kan lei tot ongewenste onderhoud probleme van ’n straling gevaar oogpunt. Die ontwikkeling van ’n metode om deeltjies te verwyder uit die helium stroom is dus nodig. In hierdie werk word van twee teoretiese defleksie modelle gebruik gemaak om die silwer partikels se defleksie te beskryf, naamlik die stogastiese en die deterministiese defleksie modelle. Laasgenoemde beskryf die defleksie van mikro grootte partikel in ’n helium medium. Dit maak gebruik van die dielektroflorosensie (DEP) tegniek om ondersoek in te stel na die defleksie van ’n silwer deeltjie met ’n radius van 3 μm. Dit is vanaf hierdie model waargeneemdat ’n silwer mikrodeeltjie met ’n radius van 3 m in ’n helium medium beweeg met die snelheid van 0,021 ms−1 en onderworpe is aan ’n dielektroforetiese krag dit net met ’n gemiddelde van 0,52039 nm en 4,49882 nm in die x - en z -rigtings deflekteer. Die voormalige (stogastiese defleksie model) beskryf die defleksie van ione en gepolariseerde partikels deur gebruik te maak van waarskynlikheidsteorie, naamlik die kinetiese teorie van gasse. Hierdie model toon dat die gemiddelde vrye tyd wat die deeltjie spandeer terwyl dit gedeflekteer word deur ’n uniforme elektriese veld sovel korter is dat daar nie genoeg tyd is vir ’n silwer deeltjie is om aansienlik tussen botsings gedeflekteer kan word nie. Byvoorbeeld, wanneer ’n elektriese veld van 100kV/m toegepas word op ’n enkele silwer ioon vir ’n tyd van 0.1 μs, die defleksie afstand van 33,38 mm verkry word vir ’n vrye tyd van 0.189285 ns en onder druk en temperatuur voorwaardes van 1 bar en 20 ◦C. Die Brown-beweging was dan vergeleke met die uitkoms van n univorme elektriese veld wat n polariserende atoom deflekteer. Dit word gedoen deur die vergelykings van die Brown-beweging en die polariseerbaarheid van ’n atoom met behulp van nie-uniform elektriese veld te gebruik. Daar word gevind dat as die silwer spoed van Brown se beweging (79,563 ms−1) veel groter is as di van die polariseerbare atoom (4,69455 × 10−6 nms−1). Die deterministiese en stogastiese defleksie modelle deur gebruik te maak van nonuniform elektriese velde bewys dat dielectrophoresis tegniek is weglaatbaar klein in defleksie van deeltjies en kan dus nie gebruik word om silwer partikels te buig soos wat in ’n VHTR vereis word nie.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/71754
This item appears in the following collections: