Научный коллектив кафедры общей физики Томского политехнического университета создает защитные покрытия на основе нитрида титана для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Такие оболочки способны значительно снизить наводораживание «контейнеров», в которых находится ядерное топливо, продлить срок их службы и предохранить реактор от взрыва при возможных авариях.

«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 (свыше 860°С) выделяется водород. Водород способен накапливаться в оболочках твэлов, приводя к деградации их механических свойств и разрушению», — поясняет один из разработчиков, ассистент кафедры общей физики Егор Кашкаров.

По словам молодого ученого, 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.

Научный коллектив кафедры общей физики ТПУ создает защитные покрытия на основе нитрида титана, которые станут барьером, ограждающим циркониевый твэл от воздействия воды и накопления водорода.

«В ходе экспериментов нитрид титана хорошо себя зарекомендовал: у него высокая твердость, износостойкость, жаростойкость, инертность. Мы обнаружили также, что он хорошо защищает от проникновения водорода в материал, что является важным для ядерной энергетики.

Разрабатываемые покрытия позволяют снизить проникновение водорода в циркониевый сплав», — отмечает Егор Кашкаров.

Покрытия на циркониевую подложку политехники наносят с помощью двух технологий: магнетронного распыления и вакуумно-дугового осаждения. Оба эти процесса осуществляются на установке, разработанной в вузе. В результате получается тонкопленочное покрытие — толщиной не более двух микрон.

«Одна из перспектив применения разрабатываемых покрытий из нитрида титана — реакторы нового поколения и термоядерные реакторы, где также остро стоит проблема разработки водородонепроницаемых покрытий. В реакторах нового поколения для повышения эффективности выгорания топлива предполагается повышение температуры до 400-450 градусов. Следовательно, здесь процессы наводораживания твэлов будут идти значительно быстрее. Наши покрытия способны этому помешать», — говорит разработчик.