Ученые Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" совершили важный шаг в разработке толерантного ядерного топлива. Они успешно определили оптимальный состав защитного покрытия для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и изготовили образцы с хромосодержащим слоем для испытаний облучением в реакторе МИР.
Контекст: ВВЭР и вызовы безопасности
Как отмечает МАГАТЭ, на планете работает 448 ядерных реакторов, и более 50 находятся в стадии строительства. Основу энергоблоков во многих странах составляют надежные водо-водяные реакторы (ВВЭР). Однако традиционные циркониевые сплавы твэлов, стабильные до 350 °C, при аварийном росте температуры выше 800–900 °C вступают в реакцию с паром, выделяя взрывоопасный водород.
Инновационное решение профессора Калина
"Для предотвращения опасной реакции циркония с паром мы предложили наносить защитные покрытия, эффективно изолирующие поверхность, – пояснил заведующий кафедрой физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ, профессор Борис Калин. – Благодаря выбору хромосодержащего состава и его нанесению на фрагменты труб твэлов длиной до 500 мм, нам удалось достичь значительного замедления окисления циркония паром даже при экстремальных 1200 °С".
Технология нанесения покрытия в НИЯУ МИФИ
Инновационный метод включает ионно-пучковую подготовку поверхности аргоном для устранения неровностей. Затем, в условиях вакуума, на трубки послойно распыляется покрытие толщиной до 10 микрон. Для этого используются магнетроны, создающие плазменный разряд для распыления целевых сплавов-электродов.
Успешные испытания и оптимизация
Комплексные исследования в НИЯУ МИФИ (электронная и ионная микроскопия) подтвердили качество покрытий. Ученые провели строгие тесты на износостойкость, окисление в воде при 350 °C и 160 атм, а также в паре при 1200 °C. Многократные эксперименты с вариацией состава и режимов обработки позволили добиться главного результата: предотвращения окисления циркониевых трубок при 1200 °C в течение 400 секунд.
Эти многообещающие результаты были представлены на 16-й Международной школе-конференции "Новые материалы: Толерантное ядерное топливо", организованной в НИЯУ МИФИ при участии профильной научной школы и лаборатории.
Иллюстрация: Ионно-пучковая установка для ионной полировки.
© Фото : Б. Калин, НИЯУ МИФИ
Источник: scientificrussia.ru
