Ученые Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» решили задачу выбора состава покрытия на поверхности оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) на пути создания толерантного ядерного топлива, изготовив оболочки с защитным хромосодержащим покрытием для постановки на облучение в реактор МИР.

По данным МАГАТЭ, на начало 2018 года в мире действовали 448 ядерных реакторов, а строилось еще более 50. Базовыми реакторами атомных станций являются водо-водяные реакторы (ВВЭР).

Основной конструкционный материал твэлов ВВЭР — циркониевые сплавы, которые успешно эксплуатируются при температурах до 350 °С. При превышении температуры оболочки выше 800–900 °С — например, в случае аварийного прекращения теплоотвода из реактора — цирконий с водяным паром вступают в реакцию, образующую взрывоопасный водород.

«Во избежание реакции взаимодействия циркония с паром ученые предлагают покрывать поверхность твэлов теми материалами, которые удачно защищают цирконий от контакта с паром. Это, в частности, хром. Поэтому нами решена научно-техническая задача по выбору состава и нанесению защитного хромосодержащего покрытия на фрагментах твэльных труб длиной до 500 мм. Результат — существенное замедление реакции окисления циркония в паре при температуре 1200 °С», — сообщил заведующий кафедрой физических проблем материаловедения НИЯУ МИФИ, профессор Борис Калин.

По его словам, метод ионно-пучковой обработки твэльных труб предполагает полировку — или травление — ионами аргона поверхности трубки, чтобы очистить ту от неровностей. Далее, без нарушения вакуума в камерах установки, на поверхность трубок в виде покрытия (толщиной до 10 мкм) послойно распыляются сплавы, установленные в качестве электродов на магнетронах (устройствах, создающих специальный плазменный разряд на поверхности электрода для распыления ионами плазмы этого электрода).

После завершения цикла обработки в НИЯУ МИФИ провели электронно-микроскопическое и ионно-микроскопическое исследования состава, структуры и толщины покрытий. Также ученые испытали покрытия на износостойкость (при трении о циркониевые детали), окисление в воде (при температуре 350 °С, давлении воды 160 атм, в течение 72 часов) и в паре (при температуре 1200 °С).

«Периодически повторяя эксперимент, изменяя состав электродов на магнетронах и режимы обработки, анализируя результаты экспериментов — мы выбрали оптимальный состав покрытий и добились предотвращения окисления внешней поверхности циркониевых трубок при 1200 °С в течение 400 сек», — заявил Борис Калин.

Результаты этого исследования представлены на 16-ой Международной школе-конференции «Новые материалы: Толерантное ядерное топливо», прошедшей в НИЯУ МИФИ по инициативе научной школы и лаборатории ионно-пучковой обработки материалов кафедры физических проблем материаловедения.