Нанокерамика для ядерных реакторов научилась крепчать от излучения

Международная группа исследователей протестировала новый тип защитных покрытий, который является перспективным материалом для использования в ядерной энергетике. 15 Декабрь 2016, 11:50
Международная группа исследователей протестировала новый тип защитных покрытий, который является перспективным материалом для использования в ядерной энергетике. Он не только может выдержать интенсивные радиационные нагрузки, но и становится более прочным при облучении. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Scientific Reports, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе Университета Висконсин-Медисон.

В процессе работы ядерного реактора материалы, из которых сделаны элементы активной зоны, постепенно деградируют из-за воздействия высоких температур, агрессивных сред и потоков частиц. Это проявляется в термической и радиационной ползучести и усталости металлов, а также в их охрупчивании и распухании под действием нейтронного излучения, что в конечном итоге заметно снижает срок работы элементов реактора и может привести к их разрушению. Особенно важной эта проблема становится для новых типов реакторов, в которых, в качестве теплоносителя, используются жидкие металлы, расплавы солей, сверхкритическая вода или гелий при высоких температурах, что позволяет повысить КПД реактора.

Существует множество разновидностей защитных покрытий, благодаря которым можно замедлить или прекратить процесс разрушения внутрикорпусных элементов реактора и оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). К ним предъявляются следующие требования: они должны быть твердыми и износоустойчивыми, химически инертными, иметь хорошую адгезию к поверхности, не образовывать долгоживующие радионуклиды при облучении нейтронами, при этом покрытие не должно поглощать нейтроны сильнее, чем материала ТВЭЛа или тепловыделяющей сборки. Сегодня такие покрытия делаются на основе нитридов, боридов, карбидов или оксидов металлов. Для защитных покрытий, которые предполагается использовать в реакторах IV поколения, предъявляются более жесткие требования. Одними из перспективных покрытий для таких реакторов являются нанокерамические покрытия из оксида алюминия, которые сохраняют прочность при высоких температурах и имеют химическую инертность в широком диапазоне агрессивных сред. Они имеют аморфную структуру, в которой однородно распределены нанокристаллы. При этом в настоящий момент мало изучен вопрос изменения свойств таких покрытий при облучении потоками частиц в условиях, сравнимых с условиями активной зоны реактора.
Изменение внутренней структуры образцов стали с нанокерамическим покрытием из оксида алюминия. Показана исходная структура до облучения с осажденной пленкой (а) и после облучения с дозой 20 с.н.а (смещений на атом) (b), 40 с.н.а (с) и 150 с.н.а (d) при 600 градусах Цельсия.
Покрытия, использовавшиеся в работе, получались методом импульсного лазерного осаждения, в ходе которого на подложках из аустенитной стали, которая предлагается как перспективный конструкционный материал для нового поколения ядерных реакторов, осаждается распыленный при помощи лазерных импульсов материал мишени из чистого алюминия. В ходе испытаний полученные образцы подвергали интенсивному облучению пучками ионов золота Au5+ с энергией 12 МэВ и ионов вольфрама W8+ с энергией 18 МэВ в вакууме при 600 градусах Цельсия, чтобы сымитировать температурные условия и различные радиационные нагрузки в реакторах IV поколения. То, как материал ведет себя в таких условиях, ученые анализировали с помощью электронной микроскопии и механических тестов (измеряли модуль Юнга, твердость и устойчивость пленок к ударным нагрузкам).
Влияние эффекта образования зерен на механические свойства нанокерамических тонких пленок из оксида алюминия, а именно на модуль Юнга Е (а), твердость Н (b) и отношение Н/E (с).
Оказалось, что первоначально облучение запускает процесс изменения структуры пленок с аморфной на кристаллическую, а именно образованию и росту нанозерен. Модуль Юнга тонких пленок возрастает с увеличением дозы, в то время как отношение твердости к модулю Юнга в процессе кристаллизации вначале увеличивается, а затем уменьшается, но с таким окончательным значением, которое по-прежнему больше, чем исходное, что говорит об упрочнении пленок при облучении, их способности выдерживать нагрузки, не растрескиваясь при этом. Это означает, что покрытие сможет проявлять свои защитные свойства в течение долгого времени, не разрушаясь при этом. Полученные результаты говорят о том, что данный тип покрытий может быть использован в ядерной энергетике, причем не только при создании реакторов нового поколения, но и в существующих легководных реакторах, а также в термоядерных установках, например в токамаках.