Минимизировать риски. В России разрабатывают способ защиты реакторов АЭС
Снизить взрывоопасность, избежать коррозии материалов активной зоны реакторов в случае аварий на атомных электростанциях (АЭС) и увеличить срок эксплуатации компонентов АЭС поможет хромовое покрытие сверхплотной структуры, произведенное по технологии ТПУ, утверждают в вузе. Результаты исследований опубликованы в журнале Journal of Nuclear Materials.
Механизмы предотвращения возгорания реакторов и минимизации разрушительных последствий при потенциальных авариях на АЭС нуждаются в дальнейшем совершенствовании, считают в Томском политехническом университете (ТПУ).
Авария 2011 года на атомной электростанции «Фукусима-1» в Японии показала, что процесс дестабилизации работы водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) приводит к предельному разрушению и увеличению взрывоопасности. При этом остановить процессы дестабилизации в скорые сроки крайне сложно.
Причиной катастрофы в Японии стало девятибалльное землетрясение и цунами, в результате станцию пришлось ликвидировать, а загрязнения от выброса радиоактивных отходов распространились более чем на тысячу километров, уточнили ученые.
Точкой невозврата к дальнейшему восстановлению АЭС оказались взрывы в энергоблоках. Они произошли из-за генерации водорода в реакции между цирконием, из которого состоят топливные оболочки реактора, и водяным паром при нагреве теплоносителя (пароциркониевая реакция).
На сегодня циркониевые сплавы являются основным конструкционным материалом активной зоны ВВЭР, одних из наиболее распространенных в мире.
"В таких авариях вода внутри реактора (теплоноситель) переходит в пар и начинается быстрое окисление циркониевых сплавов. Выделяется водород, от его взаимодействия с кислородом может случиться взрыв. Если температура реактора достигнет 860 градусов, то остановить ее рост очень сложно. Избежать пароциркониевой реакции поможет специальное хромовое покрытие с предельно плотной структурой", – рассказал заведующий Лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Егор Кашкаров.
Ученые промоделировали механизмы взаимодействия водяного пара, воздуха и водорода с циркониевыми сплавами и сварными соединениями с защитным покрытием в воссозданных условиях тяжелой аварии. Слой хрома обеспечил функцию барьера между циркониевым сплавом и агрессивной средой, продолжил исследователь. Защитные характеристики могут значительно увеличить время для принятия противоаварийных мер в случае экстренной ситуации.
Исследователь обратил внимание, что разработка оболочек с хромовыми покрытиями стартовала еще в период советской науки, но сейчас наиболее успешные результаты показаны во Франции.
Физический зал исследовательского ядерного реактора в учебно-научном центр "Исследовательский ядерный реактор" Томского политехнического университета
Голубое свечение заряженных частиц, исходящее из активной зоны исследовательского ядерного реактора в учебно-научном центре "Исследовательский ядерный реактор" Томского политехнического университета
Физический зал исследовательского ядерного реактора в учебно-научном центр "Исследовательский ядерный реактор" Томского политехнического университета
Голубое свечение заряженных частиц, исходящее из активной зоны исследовательского ядерного реактора в учебно-научном центре "Исследовательский ядерный реактор" Томского политехнического университета
Специалисты вуза создали собственную методику нанесения покрытий с возможностью регулировки свойств покрытия и скорости их получения. В результате защитный слой из хрома получается таким же плотным, а скорость его формирования специалисты ТПУ сократили от одних суток до двух-трех часов.
«Обычно при получении таких покрытий используют сильноточные импульсные магнетроны, что позволяет увеличивать энергию ионов на поверхности циркониевого сплава. За счет этого получается плотная структура покрытия. Мы же добиваемся увеличения энергии, применяя магнетронную распылительную систему с несколькими синхронизированными катодными узлами», – добавил доцент Научно-образовательно центра Б.П. Вейнберга ТПУ Дмитрий Сиделев.
Он уточнил, что в вузе накоплен опыт по управлению параметрами формируемых слоев, например, это делают при использовании плазменных источников специальной конфигурации. Здесь же помог опыт ТПУ в области разработки магнетронных распылительных систем и промышленных установок для осаждения покрытий, считает Сиделев.
По словам специалистов, при повседневной работе реакторов такие покрытия могут обеспечивать замедление окисления циркония. Они же препятствуют поглощению водорода сплавом в результате разложения воды под действием излучения. В таком случае оболочка останется функциональной на более длительный срок.
Томский политехнический университет – участник программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» по направлению «Исследовательское лидерство». В программе развития вуза заложены три стратегических проекта: «Энергия будущего», «Инженерия здоровья» и «Новое инженерное образование».
