Оболочка топлива из сплава циркония, используемого для содержания топлива и радиоактивных продуктов деления, вступила в реакцию с кипящей охлаждающей водой с образованием газообразного водорода, который затем взорвался, что привело к крупнейшей со времен Чернобыля катастрофе, связанной с атомной энергетикой.Столкнувшись с этим событием, две исследовательские группы добились прогресса в разработке топливных оболочек, способных выдерживать высокие температуры в результате аварии с потерей теплоносителя (LOCA), как это произошло на Фукусиме. Обе команды представят свои результаты на 62-м Международном симпозиуме и выставке AVS, который состоится 18-23 октября в Сан-Хосе, Калифорния.
Испытания новых оболочек твэлов — модели слияния и экспериментыВ Технологическом институте Иллинойса Джефф Терри и его коллеги пытаются определить, может ли карбид кремния быть адекватной оболочкой, уменьшая при этом возможность взрыва водорода. Оболочка ядерного топлива предотвращает утечку радиоактивных продуктов деления в теплоноситель и должна выдерживать экстремальные условия, которые могут возникнуть во время аварий. С этой целью исследователи провели один из первых экспериментов по описанию физических и химических свойств радиоактивных элементов в карбиде кремния в аварийных условиях.
Подход Терри сочетает теорию и эксперимент, используя ресурсы нескольких национальных лабораторий и институтов, чтобы преодолеть разрыв между предсказаниями моделей и экспериментальными данными из более ранних, более прикладных измерений. «Эти сложные среды часто трудно предсказать теоретически. Наши сотрудники из Окриджской национальной лаборатории проделали замечательную работу по предсказанию реакционной способности продуктов деления на модельных монокристаллических поверхностях карбида кремния», — пояснил Терри.Терри был нужен способ измерения фактического положения элементов в материалах, чтобы можно было проверить точность моделей.
В ИИТ группа может как создавать модельные материалы, используемые в расчетах, так и экспериментально определять среду каждого элемента, как в модельных материалах, так и в облученных оболочках твэлов.«Больше нецелесообразно проверять каждый элемент ядерного реактора до отказа», — сказал Терри. «Нам нужны модели, которые предсказывают, что на самом деле произойдет». Чтобы ускорить разработку более надежных моделей, исследовательская группа использовала систему импульсного лазерного осаждения (PLD) IIT для выращивания пленок на модельных поверхностях, аналогичных тем, которые использовались при моделировании.
Синхротронные измерения модельных пленок, выполненных с использованием PLD, затем сравниваются со сложными топливными материалами, которые облучаются в ядерных реакторах, чтобы определить химический состав материала и понять судьбу различных продуктов деления в барьерном слое карбида кремния. В конечном итоге это предоставит разработчикам моделей данные, необходимые для более точного прогнозирования того, что произойдет во время аварий.
Следующим шагом для исследователей является объединение знаний, полученных из спектроскопии на синхротроне ИИТ, с микроскопическими измерениями, которые в настоящее время проводятся в Национальной лаборатории Окриджа.Вы можете посмотреть видео, где команда объясняет свою работу, по следующей ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=kpYBmG4DK7g
Ядерное топливо с алмазным покрытиемОтдельное мероприятие, также вдохновленное катастрофой в Японии, возглавляет Ирена Краточвилова из Института Физической Академии Наук Чешской Республики. Краточвилова, Франтишек Фендрих и группа ученых и инженеров из Института физики в сотрудничестве с Westinghouse и Чешским техническим университетом разработали новую технологию, которая защищает поверхность оболочек твэлов ядерных реакторов.
Они нанесли гомогенный алмазный слой из газовой фазы в микроволновую плазму, которая изолирует материал ядерной оболочки от окружающей среды ядерного реактора.«Алмазный слой имеет множество преимуществ.
В дополнение к алмазным зернам он содержит аморфный углерод, поэтому он является одновременно прочным и гибким, обеспечивая механически прочную оболочку, которая может адаптироваться к тепловому расширению во время работы реактора», — пояснила Краточвилова.«Химическое осаждение из паровой фазы пленок поликристаллического алмаза [PCD] — мощный метод, который дает нам возможность однородно покрыть любой трехмерный материал высококачественной алмазной пленкой», — сказал Петр Ащеулов из Института физики AS CR. Совсем недавно команда успешно нанесла композитный поликристаллический алмазный слой размером 300 нанометров (нм).Благодаря высокому содержанию кристаллического алмаза и низкой шероховатости, PCD может защищать от нежелательного окисления и укреплять химическую стабильность оболочки, сохраняя ее функциональность.
После облучения ионным пучком (испытано в Техасском университете AM) алмазная пленка сохранила удовлетворительную структурную целостность. Даже при температуре выше 850 градусов Цельсия поверхность Zircaloy2 может быть эффективно защищена от коррозии, вызванной горячим паром.Следующие шаги будут иметь решающее значение для реализации потенциала этой технологии. «На данный момент все испытания проводились в условиях, имитирующих присутствие покрытых алмазом оболочек внутри ядерного реактора. Однако предполагается проведение расширенных испытаний на реальных реакторах», — сказал Ащеулов. «Это может помочь нам продвинуть не только технологию и процессы алмазного покрытия, но и конкретное использование поликристаллического алмаза в качестве функционального антикоррозионного материала в атомной энергетике».
Обе группы исследователей надеются, что их работа приведет к созданию отказоустойчивого ядерного топлива, которое значительно снизит вероятность подобных катастроф на Фукусиме и сделает производство ядерной энергии более безопасным.