Ученые ТПУ разработали ионные импланты для ТВЭЛ

ТОМСК, 29 мая – РИА Томск. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новый метод долгосрочной защиты тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих топливо для ядерных реакторов; разработка позволяет защищать ТВЭЛы не только снаружи, но и изнутри при помощи ионной имплантации. Подробнее – в материале РИА Томск.

Ранее сообщалось, что сотрудники кафедры общей физики ТПУ разрабатывают специальные покрытия на основе нитрида титана для оболочек ТВЭЛ для ядерных реакторов, которые защищают его от взрыва при возможных авариях. В результате получается тонкопленочное покрытие толщиной не более двух микрон, которое защищает оболочку ТВЭЛ от разрушительного воздействия водорода.

Имплант для топливного контейнера

Как пояснил РИА Томск один из авторов технологии, ассистент кафедры общей физики Егор Кашкаров, ионные импланты – это дополнительный метод защиты циркониевой оболочки ТВЭЛов, который разработчики рекомендуют сочетать с нитрид-титановыми защитными покрытиями.

"Такие (нитрид-титановые) покрытия способны снизить проникновение водорода в сплав (оболочки ТВЭЛа)… Водород все равно проникает через созданный нами барьер и повреждает ТВЭЛ, однако на порядок медленнее… Чтобы решить эту проблему мы использовали уже известный науке метод ионной имплантации, который позволит снизить проникновение водорода в сплав в 50-75 раз", – сказал он.

По его словам, ТВЭЛы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. В результате облучения циркониевой оболочки ТВЭЛа потоками многозарядных ионов титана, формируется градиентный поверхностный слой толщиной до 250-300 нанометров. Он обеспечивает эффективный "захват" проникающего внутрь оболочки ТВЭЛа водорода.

Чтобы Фукусима не повторилась

Дополнительная защита оболочки ТВЭЛов от водорода – не просто способ продлить жизнь топливным элементам ядерных реакторов. Это способ предотвратить аварии на атомных станциях, таких как "Фукусима-1", подчеркивает разработчик. При взаимодействии циркониевой оболочки ТВЭЛа с теплоноситетем – водой происходит реакция выделения водорода. И чем выше температура в реакторе, тем больше водорода.

Так и произошло во время аварии на "Фукусиме-1": из-за затопления насосного оборудования активная зона реактора разогрелась до 1200 градусов, пароциркониевая реакция протекала стремительно с образованием большого количества водорода. Его взрыв и стал причиной одной из крупнейших аварий на АЭС в мире.

"Керамические покрытия нитрида титана будут служить барьером, ограничивающим контакт теплоносителя (воды и водяного пара) с циркониевым сплавом. Это может значительно снизить выделение водорода… Покрытие может защитить оболочку тепловыделяющего элемента при кратковременной аварии с потерей теплоносителя", – поясняет Кашкаров.

Он подчеркнул, что использование ионной имплантации позволит дополнительно обезопасить топливные элементы.

Пятилетка на внедрение

"Для использования таких покрытий в промышленном масштабе необходимо решить ряд технологических задач, связанных с обработкой и осаждением покрытий на оболочки ТВЭЛов... Кроме того, такие оболочки ТВЭЛов должны пройти цикл аттестации условиям эксплуатации в реакторах. Все это может занять не менее 4-5 лет", – говорит Кашкаров.

Кроме того, по его словам, необходимо оценить новые покрытия в условиях аварии с потерей теплоносителя (высокотемпературного окисления при температурах 1200 градусов) и провести тестовые испытания оболочек тепловыделяющих элементов, покрытых защитными покрытиями, в исследовательских реакторах.

По данным пресс-службы ТПУ, результаты исследования опубликованы в журнале Applied Surface Science.