Ученые Томского политехнического университета нашли эффективный способ, как защитить от водорода тепловыделяющие элементы (твэлы), содержащие в себе топливо для ядерных реакторов. Новая технология позволяет защитить контейнеры для ядерного топлива не только снаружи, но еще и изнутри при помощи ионной имплантации. Таким образом, водород не попадает внутрь топливного носителя и не разрушает его, что позволяет не только продлить срок действия самого твэла, но и защитить от взрыва при возможных авариях и ЧС ядерный реактор.

Результаты исследования научного коллектива ТПУ представлены в статье, опубликованной в журнале Applied Surface Science (IF 3,150; Q1).

Как отмечает один из главных авторов научной статьи, ассистент кафедры общей физики Егор Кашкаров, ядерное топливо в реакторах закладывается в специальные «трубки» из циркониевых сплавов, из них формируются твэлы. В твэлах и происходит ядерная реакция. В результате радиолиза теплоносителя — воды, а также в результате взаимодействия теплоносителя с цирконием под воздействием высоких температур выделяется водород. Водород способен накапливаться в оболочках твэлов, приводя к деградации их механических свойств и разрушению. Опасность взаимодействия циркония с водой заключается еще и в том, что чем выше температура в реакторе, тем больше водорода выделяется. Так, например, произошло во время аварии на станции «Фукусима-1» в Японии: из-за затопления насосного оборудования активная зона реактора разогрелась более чем до 1200 градусов, пароциркониевая реакция протекала стремительно с образованием большого количества водорода. Взрыв накопившегося водорода и стал причиной одной из крупнейших радиационных аварий в мире. Чтобы таких аварий не повторилось снова, необходимо защищать твэлы от наводораживания.

Напомним, ранее научным коллективом ТПУ был разработан метод защиты оболочек твэлов путем нанесения на них  защитных покрытий на основе нитрида титана.

«Такие покрытия способны значительно снизить наводораживание твэлов. Однако они не исключают полностью проникновения водорода в оболочку контейнера для ядерного топлива. Водород все равно проникает через созданный нами барьер внутрь твэла и повреждает его, однако на порядок медленнее, чем в непокрытый сплав», — объясняет Егор Кашкаров.

Чтобы решить эту проблему, ученые ТПУ предложили внедрить на наноуровне в структуру циркониевого твэла ионы титана.

«Для этого мы использовали уже известный науке метод ионной имплантации, — уточняет Егор Кашкаров. — Твэлы состоят из топливного сердечника, оболочки и концевых деталей. Метод ионной имплантации подразумевает, что мы облучаем циркониевую оболочку твэла потоками многозарядных ионов титана, формируемых из плазмы дугового разряда. Таким образом, формируется градиентный поверхностный слой толщиной до 250-300 нанометров, обеспечивающий эффективный “захват” проникающего внутрь оболочки твэла водорода», — описывает метод политехник.

Далее ученые покрывают циркониевую оболочку твэла с внедренными в нее ионами титана защитным слоем из нитрида титана. Таким образом, получается двойной уровень защиты: покрытие нитрида титана обеспечивает снижение проникновения водорода и высокие механические характеристики поверхности, а имплантированный слой — эффективный захват водорода.

«Проведенные нами исследования показали, что модифицированный слой успешно захватывает проникающий через покрытие  водород. Таким образом, водород не проникал вглубь сплава. Новая методика хороша также и тем, что позволяет обеспечить хорошую адгезию покрытий при высоких температурах — когда защитные слои не отслаиваться от твэла», — резюмирует Егор Кашкаров.