Учёные ТПУ применили хромовые покрытия для защиты циркониевых элементов ТВС

Учёные Томского политехнического университета изучили поведение сварных соединений из циркониевого сплава Э110, полученных при помощи лазерной сварки. На циркониевые изделия, применяемые при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР), были нанесены защитные покрытия из хрома, защищающие их от окисления. Результаты исследования учёных опубликованы в журнале Corrosion Science (Q1, IF 7.205).

Как пояснил доцент научно-образовательного центра Б.П. Вейнберга Дмитрий Сиделёв, урановое топливо в реакторах типа ВВЭР находится в протяжённых трубах из циркониевого сплава. Они составляют оболочку тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа). При облучении топлива потоком нейтронов начинается цепная реакция деления, сопровождающаяся выделением тепловой энергии, которая затем передаётся теплоносителю. При нарушении режима работы реактора и возникновении аварийных ситуаций повышается риск развития самоподдерживающейся пароциркониевой реакции, приводящей к интенсивному окислению ТВС, выделению тепла и генерации водорода. В результате этого целостность ТВС может нарушиться. Урановое топливо попадает в активную зону ядерного реактора и вызывает нарушение радиационной обстановки.

Хромовые покрытия представляют собой тонкую плёнку толщиной 10 микрометров. В качестве материала для создания защитных покрытий хром был выбран не случайно: это жаростойкий металл, устойчивый к окислению и коррозии. Исследования проводились сначала на тестовых образцах, затем  на промышленных – Новосибирский завод химконцентратов (АО «ТВЭЛ») изготовил для томских учёных образцы сварных соединений по своей производственной технологии. Покрытия наносились с помощью вакуумной ионно-плазменной  установки, разработанной сотрудниками НОЦ Б.П. Вейнберга ИЯТШ ТПУ.

В итоге установили необходимый диапазон толщин покрытий (10-15 микрометров), который не влечёт за собой больших потерь для работы реакторов типа ВВЭР, обеспечивает высокую коррозионную стойкость и защиту ТВС в аварийных условиях.

Применение защитных хромовых покрытий увеличивает для операторов реактора время на принятие решений при аварийных ситуациях. В настоящий момент учёные ТПУ изучают возможности оптимизации элементного состава и структуры защитных покрытий для повышения их защитных свойств.

Работы ведутся в рамках гранта РНФ №19-79-10116 «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».