Российские ученые хромовые покрытия для защиты циркониевых элементов ТВС
На циркониевые изделия, применяемые при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), были нанесены защитные покрытия из хрома, защищающие их от окисления. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Corrosion Science (Q1, IF 7.205).
Урановое топливо в реакторах типа ВВЭР находится в протяженных трубах из циркониевого сплава. Они составляют оболочку тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа). При облучении топлива потоком нейтронов начинается цепная реакция деления, сопровождающаяся выделением тепловой энергии, которая затем передается теплоносителю, — поясняет доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Дмитрий Сиделёв. — При нарушении режима работы реактора и возникновении аварийных ситуаций повышается риск развития самоподдерживающейся пароциркониевой реакции, приводящей к интенсивному окислению ТВС, выделению тепла и генерации водорода. В результате этого целостность ТВС может нарушиться. Урановое топливо попадает в активную зону ядерного реактора и вызывает, как результат, — нарушение радиационной обстановки».
Ученые всего мира сегодня заняты исследованиями в рамках концепции по разработке толерантного топлива, т.е. устойчивого к подобного рода авариям. Команда ТПУ решает одну из таких задач комплексно, работая над предотвращением разрушения оболочек ТВЭЛов и дистанцирующих решеток, выполненных из циркониевого сплава.
Хромовые покрытия представляют собой тонкую пленку толщиной 10 микрометров. В качестве материала для создания защитных покрытий хром был выбран не случайно: это жаростойкий металл, устойчивый к окислению и коррозии. Исследования проводились сначала на тестовых образцах, затем на промышленных — Новосибирский завод химконцентратов (АО «ТВЭЛ») изготовил для томских ученых образцы сварных соединений по своей производственной технологии. Покрытия наносились с помощью вакуумной ионно-плазменной установки, разработанной сотрудниками НОЦ Б.П. Вейнберга ИЯТШ ТПУ.
Были проведены большие работы по оптимизации структуры и состава хромовых покрытий. Опытным путем мы выявили приемлемый режим осаждения покрытий, чтобы добиться их максимально плотной структуры. Это необходимо для того, чтобы кислород не проникал внутрь сплава и не инициировал процесс окисления. Также мы выяснили как влияет на процесс окисления толщина покрытий. В итоге установили необходимый диапазон толщин покрытий (10-15 микрометров), который не влечет за собой больших потерь для работы реакторов типа ВВЭР, обеспечивает высокую коррозионную стойкость и защиту ТВС в аварийных условиях», — комментирует один из авторов статьи, заведующий Лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем Егор Кашкаров.
Применение защитных хромовых покрытий увеличивает для операторов реактора время на принятие решений при аварийных ситуациях.
В настоящий момент ученые ТПУ изучают возможности режим оптимизации элементного состава и структуры защитных покрытий для повышения их защитных свойств. Работы ведутся в рамках гранта РНФ.