17 августа 2012

Раскрыта загадка деградации защитных обкладок топливных элементов АЭС

Понимание процессов окисления и коррозии важно для широкого спектра практических применений, в особенности тех, что имеют прямое отношение к атомной энергетике. В Институте высокопроизводительных вычислений (Сингапур) создана модель, позволяющая разобраться в том, каким образом азот вызывает деградацию циркония — материала, широко используемого для изготовления внешних обкладок топливных элементов в ядерных реакторах.

Вычисления показали, что азот, проникая в плёнку диоксида циркония, покрывающую поверхность металла, не просто замещает кислород (само по себе это было бы чертовски странно), а образует нитрозил-радикал NO (что тоже нетривиально), который встраивается в кристаллическую структуру циркония вместо кислорода, активизируя дальнейшее, более глубокое окисление подлежащего металла.

Подобные расчёты не блажь теоретиков, а жизненная необходимость: вспомним хотя бы Фукусимскую трагедию. Подобно алюминию, важным свойством циркония является его способность образовывать на воздухе тонкую оксидную плёнку — весьма надёжный барьер, препятствующий дальнейшему окислению и коррозии. Стабильность диоксида циркония в нормальных условиях необычайно высока. Но, как теперь стало понятно, при высоких температурах, наблюдающихся при перегреве ядра реактора, она может резко падать, что приводит к потере защитных свойств. То есть это происходит как раз тогда, когда они нужнее всего.

До сих пор наука не могла постичь механизм этого явления, хотя некоторые зацепки имелись. Так, одним из известных факторов, влияющих на развитие коррозии, считается наличие азотных примесей. И чтобы лучше понять ту роль, которую азот играет в развитии коррозии, сингапурцы рассчитали вероятность каждого химического процесса, способного протекать в слое циркония при проникновении в него азота.

В итоге было показано, что среди всех возможностей самой вероятной является образование молекул NO, каждая из которых, встраиваясь в кристаллическую решётку циркония, образует одну кислородную вакансию. Эти вакансии и служат простым диффузионным путём, по которому атмосферный кислород проникает в глубь находящегося под плёнкой, но ставшего вдруг беззащитным циркония...

Отчёт об исследовании представлен в журнале Physical Review B.