Российские ученые нашли способ защиты от главной опасности для АЭС

В ТПУ разработали технологию, которая позволяет защитить топливные сборки от водорода. Таким образом, продлевается срок службы тепловыделяющего элемента, а также существенно замедляются процессы, которые могут привести к взрыву при чрезвычайных ситуациях на АЭС. 

Топливная кассета ядерного реактора

Ядерное топливо в реакторах помещается в оболочку из циркониевых сплавов, и таким образом формируются тепловыделяющие элементы (твэлы), в которых происходит ядерная реакция. В результате взаимодействия теплоносителя с цирконием под воздействием высоких температур выделяется водород. Он концентрируется в оболочках твэлов, что вызывает их разрушение. И чем выше температура в реакторе, тем больше водорода выделяется. Такая реакция стала причиной аварии на станции «Фукусима-1» в Японии, когда из-за затопления насосного оборудования активная зона реактора разогрелась до более чем 1200 градусов. Как итог – быстрое протекание пароциркониевой реакции с выделением большого количества водорода, который может взорваться даже от крохотной искры. Взорвавшийся водород в итоге и привел к аварии с радиоактивным заражением местности.

Разработка томских ученых позволит защищать твэлы от разрушения водородом и снизит вероятность возникновения таких аварий в будущем. Исследователи еще ранее предложили защищать твэлы, нанося на них покрытие на основе нитрида титана. Такое покрытие замедляет проникновение водорода в емкость с ядерным топливом, но не прекращает его полностью. Поэтому томские ученые предложили на наноуровне добавить в структуру циркониевого твэла ионы титана.

Метод ионной имплантации подразумевает облучение циркониевой оболочки твэла потоками многозарядных ионов титана, формируемых из плазмы дугового разряда. Так получается градиентный поверхностный слой толщиной до 250-300 нанометров, который предотвращает проникновение водорода внутрь оболочки твэла. Далее ученые покрывают циркониевую оболочку твэла защитным слоем из нитрида титана и получается двойная защита. Покрытие замедляет проникновение водорода и высокие механические характеристики поверхности, а имплантированный слой — эффективный захват водорода.

Проведенные испытания показали, что благодаря двойному покрытию водород не проникает в сплав, таким образом, разрушения не происходит, и вероятность возникновения взрыва существенно снижается. На практике использование такой защиты из-за снижения вероятности возникновения взрыва даст спасательным службам больше времени для ликвидации аварийной ситуации и проведения всех необходимых операций.