Физики доказали эффективность применения хрома для оболочек ядерного топлива
Физики Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с зарубежными коллегами доказали эффективность применения хромовых покрытий на циркониевом сплаве для создания оболочек толерантного ядерного топлива. Исследования показали, что зона радиационного повреждения модифицированного сплава уменьшилась на 20%, а скорость накопления водорода снизилась в 1,8 раза. Полученные данные говорят о перспективности материала для производства тепловыделяющих элементов (твэлов) следующего поколения, что откроет новые возможности в развитии ядерной энергетики.
В настоящее время в мировой атомной индустрии активно развивает инновационное направление — толерантное топливо. Это ядерное топливо специального типа — устойчивое к возникновению аварийных ситуаций на АЭС. Его особенность заключается в способности сохранять структурную целостность при критических сбоях, например, при утрате теплоносителя или нарушении системы охлаждения активной зоны реактора. Важно, что даже в экстремальных условиях оно препятствует возникновению пароциркониевой реакции, которая приводит к формированию взрывоопасной смеси.
В своей работе ученые ТПУ методом магнетронного напыления нанесли слой хрома толщиной 0,006-0,01 мм на образцы циркониевого сплава Э110 — самого распространенного сплава твэлов в действующих отечественных реакторах. Затем образцы материала поместили в условия, приближенные к условиям работы АЭС. Взаимодействие образцов с водородом изучали в специальной камере в диапазоне температур 360-900 °С: 360 °С — это температура эксплуатации твэлов, а 900 °С — температура, близкая к аварийной.
«По сути мы смогли увидеть, что происходит с материалом внутри действующего водо-водяного энергетического ядерного реактора. Результаты показали, что при нанесении защитного слоя хрома толщинами 6-10 микрометров водород накапливается в пределах границы раздела хрома и циркония, снижая риск возникновения парациркониевой реакции. При этом скорость накопления водорода внутри стенок стержня в 1,8 раза ниже по сравнению с материалом без покрытия», — рассказал один из авторов исследования, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров.
Кроме того, ученые исследовали особенности изменения микроструктуры в сплаве циркония с хромовым покрытием при высокотемпературном наводороживании и облучении ионами криптона, являющимися продуктом распада урана. Облучение проводили на циклотроне ТПУ. Этот экспрессный метод позволяет набирать необходимые дозы облучения за сравнительно короткое время от нескольких часов до нескольких недель.
«Наличие хромового покрытия уменьшает толщину зоны радиационного повреждения на 15–20% при облучении ионами криптона высокой энергии, что свидетельствует о повышении радиационной стойкости оболочки твэла. Полученные в ходе экспериментов данные указывают на высокий потенциале материала в производстве современных тепловыделяющих элементов. Внедрение таких твэлов в атомную энергетику станет важным этапом развития стандартов безопасности отрасли и откроет новые перспективы для ее развития», — отметил Виктор Кудияров.
В настоящий момент специалисты ТПУ 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 и Института ядерной физики Республики Казахстан.