Сác nhà khoa học tìm cách nâng cao độ an toàn của lò phản ứng

Các nhà khoa học từ Trường Đại học Nghiên cứu Hạt nhân Quốc gia Nga MEPhI đã giải quyết vấn đề lựa chọn thành phần lớp phủ trên bề mặt thanh nhiên liệu hạt nhân (TNL) để tạo ra loại nhiên liệu hạt nhân có mức độ chịu đựng cao. Họ đã tạo ra lớp phủ bên ngoài bảo vệ thanh nhiên liệu chứa crom để chiếu xạ trong lò phản ứng MIR.

Theo IAEA, vào đầu năm 2018, trên thế giới đã có 448 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động và hơn 50 lò phản ứng đang được xây dựng. Tại đa số nhà máy điện hạt nhân có lò phản ứng năng lượng nước-nước (VVER).

Vật liệu chính trong cấu trúc của các thanh nhiên liệu VVER là hợp kim zirconi có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên tới 350° C. Khi nhiệt độ của vỏ bảo vệ vượt quá 800-900 ° C — ví dụ, trong trường hợp hệ thống làm mát đột ngột gặp trục trặc — zirconi bắt đầu phản ứng với hơi nước và tạo ra khí hydro nổ.

"Để tránh phản ứng của zirconi với hơi nước, các nhà khoa học đề xuất phương pháp tạo ra lớp phủ trên bề mặt thanh nhiên liệu có sử dụng các  vật liệu có thể  bảo vệ zirconi khỏi tiếp xúc với hơi nước, ví du, lớp phủ bằng crom. Nhờ đó, chúng tôi đã giải quyết vấn đề khoa học — kỹ thuật lựa chọn thành phần lớp phủ bảo vệ và sử dụng lớp phủ bằng crom trên các ống dẫn dài tới 500 mm của các thanh nhiên liệu. Kết quả là phản ứng oxy hóa zirconi khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ 1200 ° C đã giảm đáng kể", — Giáo sư Boris Kalin, Trưởng khoa các vấn đề vật lý của ngành vật liệu học tại đại học MEPhI, cho biết.

Theo ông, theo phương pháp sử dụng chùm tia ion trên các ống dẫn của thanh nhiên liệu hạt nhân nên đánh bóng  hoặc mài mòn sâu bằng ion argon bề mặt của ống dẫn để để tạo độ phẳng đều. Tiếp sau đó, nên rất cẩn thận để duy trì áp suất chân không bên trong các thiết bị, các nhà khoa học phun lên bề mặt các ống dẫn mấy lớp phủ (dày tới 10 micron) — đây là các hợp kim dưới dạng điện cực trên các magnetron (các thiết bị tạo ra lưu lượng plasma đặc biệt trên bề mặt điện cực để điện cực này phun ra các ion plasma).

Sau khi hoàn thành chu kỳ xử lý, các chuyên gia MEPhI đã sử dụng kính hiển vi điện tử để nghiên cứu thành phần, cấu trúc và độ dày của lớp phủ. Ngoài ra, họ đã thử nghiệm mức độ chịu đựng của lớp phủ chống mài mòn (khi cọ xát với các bộ phận zirconi), oxy hóa trong nước (ở nhiệt độ 350 ° C, áp suất nước 160 atm, trong 72 giờ) và trong hơi nước (ở nhiệt độ 1200 ° C).

Giáo sư Boris Kalin cho biết: "Chúng tôi đã định kỳ lặp lại thí nghiệm, thay đổi thành phần các điện cực trên magnetron và chế độ xử lý, sau đó đã phân tích kết quả thí nghiệm. Kết quả là chúng tôi đã lựa chọn thành phần tối ưu của lớp phủ và ngăn chặn được quá trình oxy hóa bề mặt của ống zirconi ở 1200 ° C trong 400 giây".

Kết quả nghiên cứu được công bố tại Hội nghị quốc tế lần thứ 16 "Vật liệu mới: Nhiên liệu hạt nhân có mức độ chịu đựng cao" đã được tổ chức tại trường MEPhI theo sáng kiến ​​của Trường Khoa học và Phòng thí nghiệm xử lý vật liệu bằng chùm tia ion của Khoa các vấn đề vật lý của ngành vật liệu học.