Ученые НИЯУ МИФИ разработали инновационные защитные покрытия для защиты циркониевых компонентов от коррозии

Легководные реакторы на тепловых нейтронах типа ВВЭР и PWR занимают ведущее место в атомной энергетике России и других мировых атомных держав.

В настоящее время строятся (ВВЭР-ТОИ, ВВЭР-1200, ВВЭР-1200А) и разрабатываются (ВВЭР-1500 и ВВЭР-1800) эволюционные легководные реакторы поколения III+ с повышенными технико-экономическими показателями, связанными с увеличением тепловой мощности, повышением давления и температуры теплоносителя, эксплуатацией топлива в маневренных режимах, повышением выгорания в твэлах, увеличением длительности кампаний. Кроме того, создаются инновационные реакторы нового IV поколения (ВВЭР-СКД, Супер-ВВЭР) со сверхкритическими параметрами теплоносителя. Для работы в активных зонах эволюционных и инновационных реакторов требуются циркониевые компоненты тепловыделяющих сборок (ТВС) с повышенным уровнем свойств.

Циркониевые компоненты ТВС должны сохранять свою работоспособность не только в течение всего срока эксплуатации в стационарных, переходных и маневренных режимах работы реактора, но также и в аварийных режимах.

Авария на российской Чернобыльской АЭС в 1986 г. произошла в результате пароциркониевой реакции, возникшей из-за повышения температуры оболочек твэлов после потери теплоносителя и всплеска реактивности. Авария на японской АЭС «Фукусима» в 2011 г., произошедшая по той же причине, подтвердила особую опасность пароциркониевой реакции и активизировала разработки по защите от возможности возникновения пароциркониевой реакции в будущем. Кроме того, фукусимская авария выявила недостатки существующего топлива и заставила атомщиков всего мира задуматься над созданием безопасного топлива, работоспособного не только в нормальных условиях эксплуатации, но, и это главное, в аварийных режимах. Так появилась концепция устойчивого к авариям толерантного топлива Accident Tolerant Fuel (ATF).

Новый тренд ATF подхватили практически все игроки международного топливного рынка. В настоящее время разработкой толерантного топлива занимаются в США, Европе (Франция, Германия, Швейцария), Японии, Китае, Южной Корее и Индии. За решение этой задачи взялись и ученые Национального исследовательского ядерного университета МИФИ.

Концепция толерантного топлива или, как его еще называют, топлива будущего, включает в себя разработку, как самого топлива, так и усовершенствованных оболочек твэлов и других компонентов ТВС с повышенным уровнем свойств. Специалисты НИЯУ МИФИ занимаются проблемой повышения эксплуатационных свойств циркониевых оболочек твэлов и компонентов ТВС

Светлана Иванова, главный специалист Института промышленных ядерных технологий:

- Для решения данной проблемы необходимо либо 1) создать новые циркониевые сплавы для компонентов активных зон новых реакторных установок, способные работать в столь жестких условиях, либо 2) найти другие способы повышения эксплуатационных свойств и работоспособности циркониевых компонентов.

Создание новых циркониевых сплавов не является перспективным, так как это длительный и дорогостоящий процесс. Разработка сплавов и их реакторное обоснование занимает много времени (десятки лет) и вызывает значительные трудности, поскольку достигнутые свойства циркониевых сплавов подошли к их физическому пределу. Кроме того, состав циркониевого сплава, необходимый для обеспечения наилучших химических свойств (коррозионной стойкости, водородонепроницаемости в воде и пароводяной смеси), отличается от состава циркониевого сплава, необходимого для обеспечения наилучших физико-механических свойств (прочности, пластичности, сопротивления деформированию, ползучести и др.). То есть, любое, даже незначительное, изменение состава существующего циркониевого сплава с целью, например, снижения коррозии и наводороживания, может привести к снижению других важных эксплуатационных свойств (прочности, ползучести, радиационной стойкости и др.).

Поэтому мы выбрали другой способ решения проблемы – разработка и нанесение на поверхность циркониевых компонентов защитных покрытий.

Изменение состояния (нанесение защитного покрытия) поверхности циркониевых компонентов не изменит их основных физико-механических свойств, так как толщина покрытия не превысит нескольких микрон. Однако слоя такой толщины будет достаточно для защиты циркониевых компонентов от коррозии, наводороживания и фреттинг-износа.

Перед нами была поставлена задача - разработать покрытия, защищающие циркониевые компоненты и повышающие их работоспособность не только в нормальных условиях эксплуатации, но и в аварийных ситуациях, в том числе с возникновением пароциркониевой реакции, при которой выделяется водород, что может привести к взрыву реактора и к пожару.

Ученые НИЯУ МИФИ разработали инновационные защитные покрытия, обеспечивающие продление ресурса и повышение эксплуатационных свойств и работоспособности циркониевых компонентов легководных реакторов в нормальных условиях эксплуатации и в аварийных ситуациях. Как показали результаты проведенных исследований, разработанные защитные покрытия существенно защищают оболочки твэлов и другие компоненты ТВС от коррозии не только в эксплуатационных условиях, но и в условиях различных аварийных ситуаций (максимальной проектной аварии с потерей теплоносителя и запроектной аварии). Разработанные покрытия позволяют:

1) повысить в 2-3 и более раз коррозионную стойкость циркониевых компонентов в нормальных условиях эксплуатации.

2) повысить от 2 до 7 раз в зависимости от состава покрытия и аварийного режима коррозионную стойкость циркониевых компонентов в условиях аварийных ситуаций.

Светлана Иванова, главный специалист Института промышленных ядерных технологий:

- При испытаниях в аварийных режимах поверхность исходных образцов, не защищенных покрытием, существенно прокорродировала, а с увеличением времени выдержки при максимальной температуре испытаний на ней образовалась рыхлая белая осыпающаяся оксидная пленка, а у образцов с защитным покрытием, испытывавшихся одновременно в тех же условиях, на поверхности сохранилась плотносцепленная плёнка. Коррозийная стойкость образцов после нанесения разработанных защитных покрытий, повысилась в 2-7 раз. А это означает, что вклад пароциркониевой реакции в тепловыделение при максимальной проектной аварии (МПА) снизится во столько же раз, и, следовательно, уменьшит температуру ее протекания, что создаст более щадящие условия при МПА для твэлов и других компонентов ТВС. Таким образом, новые защитные покрытия, нанесенные на оболочки твэлов, позволят значительно повысить их надежность при МПА и дадут возможность конструкторам обоснованно уменьшить толщину стенки оболочек твэлов с целью увеличения загрузки в них урана и повышения технико-экономических показателей реактора.

В первую очередь, покрытия, созданные учеными НИЯУ МИФИ, предназначены для атомной энергетики, но они также могут быть применены в других областях: в медицине, авиации, машиностроении.