Ученые доказали, что хром делает ядерное топливо безопаснее
Дзен
Хромовое покрытие для оболочек специального «толерантного» ядерного топлива, которое делает их более устойчивыми к повреждениям, разработали ученые Томского политеха в составе научной группы. Испытания показали, что покрытие снижает радиационные повреждения на 20 процентов, а накопление взрывоопасного водорода — в 1,8 раз, сообщили РИА Новости в пресс-службе Минобрнауки РФ.
Мировая атомная индустрия активно развивает направление, связанное с «толерантным топливом». Его особенность заключается в способности сохранять структурную целостность при критических сбоях, например, при утрате теплоносителя или нарушении системы охлаждения активной зоны реактора. Даже в экстремальных условиях оно может препятствовать возникновению пароциркониевой реакции, которая приводит к формированию взрывоопасной смеси.
Физики Томского политехнического университета совместно с коллегами из Белоруссии и Казахстана доказали эффективность применения хромовых покрытий на циркониевом сплаве для создания оболочек толерантного ядерного топлива.
Методом магнетронного напыления на образцы циркониевого сплава Э110 — самого распространенного сплава твэлов (тепловыделяющих элементов — стержней, содержащих ядерное топливо и используемых в реакторах для получения тепловой энергии) в действующих отечественных реакторах — был нанесен слой хрома толщиной 0,006-0,01 мм. Затем образцы материала поместили в условия, приближенные к условиям работы реакторов на АЭС.
Результаты исследования показали, что зона радиационного повреждения модифицированного сплава уменьшилась на 20 процентов, а скорость накопления водорода снизилась в 1,8 раза. По словам ученых ТПУ, полученные данные говорят о перспективности материала для производства тепловыделяющих элементов следующего поколения, что откроет новые возможности в развитии ядерной энергетики.
«»По сути, мы смогли увидеть, что происходит с материалом внутри действующего водо-водяного энергетического ядерного реактора. Исследования показали, при нанесении защитного слоя хрома толщинами 6-10 микрометров водород накапливается в пределах границы раздела хрома и циркония, снижая риск возникновения парациркониевой реакции», — рассказал соавтор исследования, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров, слова которого приводятся в сообщении.
Образцы стержней твэлов без хромового покрытия и с хромовым покрытием
Кроме того, ученые исследовали особенности изменения микроструктуры в сплаве циркония с хромовым покрытием при высокотемпературном наводороживании и облучении ионами криптона, являющимися продуктом распада урана.
«Наличие хромового покрытия уменьшает толщину зоны радиационного повреждения на 15–20 процентов при облучении ионами криптона высокой энергии, что свидетельствует о повышении радиационной стойкости оболочки твэла. Внедрение таких твэлов в атомную энергетику станет важным этапом развития стандартов безопасности отрасли и откроет новые перспективы для ее развития», — приводятся в сообщении слова Виктора Кудиярова.
В настоящий момент специалисты Томского политехнического университета изучают способность хромового покрытия на циркониевых оболочках твэлов противостоять окислительным процессам и обеспечивать дополнительную защиту элементам ядерного топлива.
В исследованиях приняли участие сотрудники Инженерной школы ядерных технологий ТПУ, Белорусского государственного университета, Института ядерной физики Республики Казахстан.
Исследование проведено при поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания «Наука» (грант № FSWW-2023-0005). Результаты работы ученых опубликованы в журналах Materials Chemistry and Physics и Coatings.