Томские ученые разрабатывают хромовое покрытие для защиты топливных таблеток

В Томском политехническом университете изучают свойства хромового покрытия для защиты циркониевых оболочек твэлов. Оно позволяет замедлить окисление и оттянуть момент разгерметизации оболочек. По предварительным расчетам, фора составит около двух часов, что позволит операторам АЭС выиграть время в случае аварии. Работа — ​часть большого проекта по созданию толерантного топлива.

Эксперименты с образцами из циркониевых сплавов в ТПУ проводят больше двух лет. Ученые уже определили оптимальный режим нанесения хромового покрытия и подобрали идеальную толщину. Теперь испытывают на прочность сварные швы с защитным покрытием. Работы идут в лаборатории с вакуумной ионно-плазменной установкой, она незаменима в ряде важных материаловедческих проектов.

Карусель для оболочки

«Длина твэла в реальной тепловыделяющей сборке — ​4 м, а мы работаем с фрагментами оболочек длиной всего 40 мм, — ​рассказывает доцент Научно-образовательного центра Вейнберга ТПУ Дмитрий Сиделев. — ​Моем образцы в мыльном растворе, ополаскиваем в спирте, кипятим, фиксируем в вакуумной камере и герметизируем ее. На следующем этапе выполняется финишная плазменная очистка: образцы вращаются вокруг себя и центральной оси планетарной карусели. Периодически они попадают в зону воздействия потока ионов аргона с энергией порядка 2 тыс. эВ. Ионы бомбардируют поверхность образцов и распыляют остаточное загрязнение. Покрытие наносим, используя магнетронную распылительную систему с хромовыми мишенями. За один трехчасовой цикл покрываем 16 образцов».

На циркониевых оболочках твэлов, работающих сейчас в водо-водяных энергетических реакторах, защитного покрытия нет. Во время работы «Росатома» над толерантным, устойчивым к авариям, топливом возник подпроект по улучшению характеристик поверхности тепловыделяющих элементов.

«При облучении топлива из урана потоком нейтронов начинается цепная реакция деления, сопровождающаяся выделением энергии, которая передается теплоносителю, — ​поясняет Дмитрий Сиделев. — ​При нарушении режима работы реактора, аварийных ситуациях повышается риск развития самоподдерживающейся пароциркониевой реакции, приводящей к интенсивному окислению поверхности оболочек ТВС, выделению дополнительного тепла и генерации водорода. В результате этого целостность ТВС может нарушиться, а урановое топливо — ​попасть в активную зону и вызвать радиационное загрязнение. Покрытие необходимо, чтобы замедлить процесс окисления оболочки при аварии на реакторе».

Хром выбрали за жаростойкость, устойчивость к окислению и коррозии. Экспериментировали и с другими составами, но они показали себя не так хорошо. В 2020 году ТПУ выиграл трехлетний грант Российского научного фонда «Разработка научно-технических основ формирования покрытий хрома на циркониевом сплаве Э110, включая сварные соединения, для изготовления устойчивых к аварийным ситуациям компонентов активной зоны ядерных реакторов». В плане работ уже было указано, с каким покрытием нужно экспериментировать.

Акцент на швах

«Мы работаем в интересах «Росатома», но не по заказу госкорпорации, нас финансирует Российский научный фонд, — ​поясняет Дмитрий Сиделев. — ​«Росатом» начал эту работу раньше, там несколько инвестпроектов по толерантному топливу. У атомщиков новые виды материалов оболочек проходят реакторные испытания, а мы ограничены возможностями лаборатории. Но мы сделали акцент не только на оболочках, но и на сварных соединениях. Для наших исследований стартовая задача — ​добиться, чтобы твэлы выдерживали более двух часов при температуре 1,2 тыс. °C в потоке пара. Но, по нашим оценкам, это не предел. Будь у инженеров АЭС «Фукусима» твэлы с хромовыми покрытиями, беды могло бы и не случиться».

Исследовательская группа несколько раз меняла условия получения хромовых покрытий, чтобы добиться максимальной плотности микроструктуры. Толщина защитного хромового покрытия — ​10–15 мкм, оно может обеспечить высокую коррозионную стойкость оболочки твэла.

Новая часть большой работы — ​эксперименты со стыковыми соединениями сплава Э110, полученными лазерной сваркой. «Сварка — ​серьезное испытание для циркония, — ​говорит Дмитрий Сиделев. — ​В области теплового воздействия меняется кристаллическая и микроструктура сплава, что приводит к ускоренному окислению этих участков. Нам было важно досконально изучить поведение сварных соединений с защитным покрытием, выяснить роль морфологии поверхности в зоне сварки. На испытательном стенде мы смотрели, как оболочка ведет себя в аварийной ситуации. Нормальная рабочая температура в реакторе типа ВВЭР — ​360 °C, мы испытывали образцы при температуре свыше 1,1 тыс. °C и выдерживали их разное время: от двух минут до нескольких часов. Потом изучали структуру, степень окисления».

Главный вывод — ​покрытие заметно снижает окисление и, соответственно, риск разгерметизации сварных соединений. Результаты исследования опубликованы в журнале Corrosion Science (Q1, IF 7.205). «Мы вскрыли несколько важных моментов влияния микроструктуры сплава на кинетику его окисления, роль морфологии поверхности сварного соединения, — ​отмечает Дмитрий Сиделев. — ​С этими вопросами нужно продолжать работу».

В ТПУ ищут новые способы улучшить защитные свойства хромовых покрытий и выясняют, насколько губительным может быть воздействие водорода на циркониевые сплавы с хромовыми покрытиями в случае аварии, поскольку водород всегда появляется при окислении оболочки.

«Мы надеемся, что наши научные результаты будут использованы для создания промышленной технологии осаждения защитных покрытий из хрома на циркониевые оболочки твэлов, а также для модификации поверхности элементов активной зоны, на которых применяется сварка. Помимо этого, наш коллектив подал заявку на конкурс аванпроектов «Росатома». Цель проекта — ​создание технологии осаждения защитных покрытий», — ​подытоживает Дмитрий Сиделев.