Томские учёные улучшили безопасность ядерного топлива с помощью хрома

Фото из открытых источников

Учёные Томского политехнического университета в сотрудничестве с коллегами из Беларуси и Казахстана успешно продемонстрировали преимущества использования хромовых покрытий на циркониевых сплавах для создания безопасных оболочек ядерного топлива. Данные результаты были представлены в официальном сообщении пресс-службы Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, сообщает ТАСС.

Исследовательская работа выявила значительные улучшения в характеристиках модифицированного циркониевого сплава. Зона радиационного повреждения уменьшилась на 20%, а скорость накопления водорода снизилась почти в два раза — в 1,8 раза по сравнению с необработанным материалом. Эти впечатляющие показатели указывают на высокую перспективность применения данного материала в производстве тепловыделяющих элементов нового поколения.

Толерантное ядерное топливо представляет собой одно из наиболее прогрессивных направлений в развитии атомной энергетики. Его ключевая особенность — способность сохранять целостность структуры даже при возникновении критических ситуаций на атомных электростанциях. Такое топливо остаётся стабильным при утрате теплоносителя или нарушениях в системе охлаждения активной зоны реактора, что предотвращает пароциркониевую реакцию — потенциальный источник образования взрывоопасных смесей.

Для проведения эксперимента научная группа ТПУ использовала метод магнетронного напыления, нанеся на образцы циркониевого сплава Э110 хромовый слой толщиной от 6 до 10 микрометров. Образцы были помещены в среду, максимально приближенную к рабочим условиям на действующих АЭС. Взаимодействие материала с водородом изучалось в специальной камере при различных температурных режимах: от 360 градусов (стандартная рабочая температура тепловыделяющих элементов) до 900 градусов (температура, близкая к аварийной).

Доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Виктор Кудияров, один из соавторов исследования, подчеркнул значимость полученных результатов: «Нам удалось смоделировать поведение материала в условиях работы водо-водяного энергетического ядерного реактора. При наличии защитного хромового слоя водород концентрируется преимущественно на границе между хромом и цирконием, что существенно снижает вероятность возникновения парациркониевой реакции. При этом скорость накопления водорода внутри стенок тепловыделяющего стержня снижается почти вдвое по сравнению с образцами без защитного покрытия».

Особую ценность представляет обнаруженное свойство хромового покрытия уменьшать зону радиационного повреждения на 15-20% при воздействии высокоэнергетических ионов криптона. Такие характеристики подтверждают высокий потенциал материала для использования в производстве современных тепловыделяющих элементов.

Внедрение толерантного ядерного топлива с защитными хромовыми покрытиями способно существенно повысить стандарты безопасности атомной промышленности. Реакторы, оснащённые такими инновационными тепловыделяющими элементами, будут обладать повышенной устойчивостью к нештатным ситуациям и авариям.

Данная разработка отражает текущие мировые тенденции в атомной энергетике, где вопросы безопасности имеют первостепенное значение. После аварии на АЭС Фукусима в 2011 году исследования в области толерантного ядерного топлива получили дополнительный импульс во многих странах мира. Российские учёные вносят существенный вклад в это направление, предлагая эффективные технологические решения для защиты циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов.

Проведённые исследования являются частью комплексной программы по повышению безопасности атомной энергетики и созданию новых материалов для ядерной промышленности. В ближайшем будущем планируются дополнительные испытания модифицированных материалов в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации в действующих реакторах.