Российские ученые разработали хромовые покрытия для защиты циркониевых элементов ТВС

Ученые Томского политехнического университета изучили поведение сварных соединений из циркониевого сплава Э110, полученных при помощи лазерной сварки.

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.

11.01.2022