Циркониевые сплавы на сегодняшний день являются основным конструкционным материалом активной зоны водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Процесс дестабилизации работы ВВЭР приводит к предельному разрушению и увеличению взрывоопасности. Взрывы в энергоблоках происходят из-за генерации водорода в реакции между цирконием, из которого состоят топливные оболочки реактора, и водяным паром при нагреве теплоносителя (пароциркониевая реакция).
«В таких авариях вода внутри реактора (теплоноситель) переходит в пар и начинается быстрое окисление циркониевых сплавов. Выделяется водород, от его взаимодействия с кислородом может случиться взрыв. Если температура реактора достигнет 860 градусов, то остановить ее рост очень сложно. Избежать пароциркониевой реакции поможет специальное хромовое покрытие с предельно плотной структурой»,
— поясняет заведующий лабораторией перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем ТПУ Егор Кашкаров.
Исследователи Томского политеха разработали собственную методику нанесения покрытий с возможностью регулировки их свойств и скорости получения. Она позволяет создать плотный защитный слой, а скорость его формирования сокращена от суток до двух-трех часов.
«Обычно при получении таких покрытий используют сильноточные импульсные магнетроны, что позволяет увеличивать энергию ионов на поверхности циркониевого сплава. За счет этого получается плотная структура покрытия. Мы же добиваемся увеличения энергии, применяя магнетронную распылительную систему с несколькими синхронизированными катодными узлами»,
— говорит доцент Научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга ТПУ Дмитрий Сиделев.
В рамках исследования ученые смоделировали механизмы взаимодействия водяного пара, воздуха и водорода с циркониевыми сплавами и сварными соединениями с защитным покрытием в воссозданных условиях аварии. Слой хрома обеспечил барьерную функцию между циркониевым сплавом и агрессивной средой. Эти защитные характеристики позволят увеличить время для принятия противоаварийных мер при экстренной ситуации.
Ученые отмечают, что при повседневной работе реакторов такие покрытия могут обеспечивать замедление окисления циркония и препятствовать поглощению водорода сплавом в результате разложения воды под действием излучения. Оболочка при этом сохранит свои функциональные возможности на более длительный срок.
Справка:
Томский политехнический университет — участник программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» по направлению «Исследовательское лидерство». В программе развития вуза заложены три стратегических проекта: «Энергия будущего», «Инженерия здоровья» и «Новое инженерное образование».