Физики 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.
Исследование выполнено в рамках госзадания «Наука» (грант № FSWW-2023-0005). Результаты работы ученых опубликованы в журналах Materials Chemistry and Physics (Q1, IF: 4.3) и Coatings (Q2, IF: 2.9).
В настоящее время мировая атомная индустрия 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. При этом важно, что даже в экстремальных условиях оно препятствует возникновению пароциркониевой реакции, которая приводит к формированию взрывоопасной смеси.
В своей работе ученые Томского политехнического университета методом магнетронного напыления нанесли на образцы циркониевого сплава Э110 — самого распространенного сплава твэлов в действующих отечественных реакторах — слой хрома толщиной 0,006-0,01 мм. Затем образцы материала поместили в условия, приближенные к условиям работы реакторов на АЭС.
Взаимодействие образцов с водородом изучалось в специальной камере в диапазоне температур 360-900 °С. При этом 360 °С — температура эксплуатации твэлов, 900 °С — температура, близкая к аварийной.
«По сути мы смогли увидеть, что происходит с материалом внутри действующего водо-водяного энергетического ядерного реактора, — рассказал соавтор исследования, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров. — 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. При этом скорость накопления водорода внутри стенок стержня в 1,8 раза ниже по сравнению с материалом без покрытия».
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 высокоэнергетическими тяжелыми ионами криптона проводилось 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, — отметил Виктор Кудияров — Полученные в ходе экспериментов данные свидетельствуют о высоком 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».
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.