Толерантное топливо: ученые нашли способ повысить безопасность реакторов
Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" решили задачу выбора состава покрытия на поверхности оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) на пути создания толерантного ядерного топлива, изготовив оболочки с защитным хромосодержащим покрытием для постановки на облучение в реактор МИР.
По данным МАГАТЭ, на начало 2018 года в мире действовали 448 ядерных реакторов, а строилось еще более 50. Базовыми реакторами атомных станций являются водо-водяные реакторы (ВВЭР).
Основной конструкционный материал твэлов ВВЭР - циркониевые сплавы, которые успешно эксплуатируются при температурах до 350 °С. При превышении температуры оболочки выше 800-900 °С - например, в случае аварийного прекращения теплоотвода из реактора - цирконий с водяным паром вступают в реакцию, образующую взрывоопасный водород.
"Во избежание реакции взаимодействия циркония с паром ученые предлагают покрывать поверхность твэлов теми материалами, которые удачно защищают цирконий от контакта с паром. Это, в частности, хром. Поэтому нами решена научно-техническая задача по выбору состава и нанесению защитного хромосодержащего покрытия на фрагментах твэльных труб длиной до 500 мм. Результат - существенное замедление реакции окисления циркония в паре при температуре 1200 °С", - сообщил заведующий кафедрой физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ, профессор Борис Калин.
По его словам, метод ионно-пучковой обработки твэльных труб предполагает полировку - или травление - ионами аргона поверхности трубки, чтобы очистить ту от неровностей. Далее, без нарушения вакуума в камерах установки, на поверхность трубок в виде покрытия (толщиной до 10 мкм) послойно распыляются сплавы, установленные в качестве электродов на магнетронах (устройствах, создающих специальный плазменный разряд на поверхности электрода для распыления ионами плазмы этого электрода).
После завершения цикла обработки в НИЯУ МИФИ провели электронно-микроскопическое и ионно-микроскопическое исследования состава, структуры и толщины покрытий. Также ученые испытали покрытия на износостойкость (при трении о циркониевые детали), окисление в воде (при температуре 350 °С, давлении воды 160 атм, в течение 72 часов) и в паре (при температуре 1200 °С).
"Периодически повторяя эксперимент, изменяя состав электродов на магнетронах и режимы обработки, анализируя результаты экспериментов - мы выбрали оптимальный состав покрытий и добились предотвращения окисления внешней поверхности циркониевых трубок при 1200 °С в течение 400 сек", - заявил Борис Калин.
Результаты этого исследования представлены на 16-ой Международной школе-конференции "Новые материалы: Толерантное ядерное топливо", прошедшей в НИЯУ МИФИ по инициативе научной школы и лаборатории ионно-пучковой обработки материалов кафедры физических проблем материаловедения.
