Ядерная «теневая коррозия», воспроизводимая в лаборатории, открывает путь к увеличению срока службы топлива

Решения 55-летней проблемы с реакторами с кипящей водой, которые составляют треть ядерных энергетических реакторов в Соединенных Штатах, находятся в процессе, когда проблема была имитирована с помощью ионных пучков.

На первой диаграмме показана экспериментальная установка, показывающая, как никелевый сплав изгибается по направлению к циркониевому сплаву в заполненной водой ячейке коррозии. Оксид циркония наиболее толстый там, где ближе всего к сплаву никель. На второй диаграмме показана полоса образца круглого циркониевого сплава, на которую воздействуют полоса из никелевого сплава и излучение. Наконец, электронное изображение показывает полосу окисления на образце сплава циркония. Предоставлено: Пэн Ван, Мичиганская лаборатория ионных пучков.

«Теневая коррозия» воздействует на топливные стержни и топливные каналы из циркониевого сплава (Zircaloy), создавая изображения близлежащих деталей на их поверхности. Повреждение представляет собой более толстый слой оксида циркония — как ржавчина на стали — почти как если бы тень соседней части была отпечатана на циркалое. Это может привести к образованию отверстий в оболочке из циркалоя вокруг топливных стержней, что потребует ранней замены.

«Он также может деформировать каналы между тепловыделяющими сборками, потенциально препятствуя регулированию мощности реактора управляющими лопатками», — сказал Гэри Уос, почетный профессор ядерной инженерии и радиологических наук и старший автор нового исследования в Journal of Nuclear Materials.

Несмотря на то, что из-за теневой коррозии не произошло никаких расплавлений, она увеличивает стоимость ядерной энергии, поскольку операторам приходится останавливать реакторы и утилизировать топливо.

«Преимущества более длительного срока службы топлива и снижения риска отказа топлива включают более низкую стоимость топлива, меньшее количество отключений, меньшее радиационное воздействие на рабочих и более низкие затраты на техническое обслуживание — все это снижает эксплуатационные расходы для реактора», — сказал он. «Отключения, включая время простоя для дозаправки, обходятся примерно в 1 миллион долларов в день».

Исследовательские реакторы могут демонстрировать теневую коррозию, но этот метод дорог и требует много времени для изучения проблемы и ее решений. Теневая коррозия также не могла быть повторена без излучения, просто используя нагретую камеру, наполненную водой.

«До сих пор теневая коррозия никогда не воспроизводилась в лабораторных автоклавных экспериментах, потому что требовалось одновременное воздействие облучения. Эксперимент Мичиганского университета показал имитацию реальной ситуации на заводе, — сказал Рауль Ребак, инженер по коррозии GE Research в Скенектади, штат Нью-Йорк, который не принимал участия в исследовании. GE — ведущий мировой производитель реакторов с кипящей водой.

Ионные пучки позволяют испытывать ядерные материалы примерно в тысячу раз быстрее — и за тысячную часть стоимости — по сравнению с исследовательскими реакторами. Пучки ионов производят более интенсивное излучение, ускоряя старение ядерных материалов. Однако большинство ионно-лучевых лабораторий не могут воспроизвести все условия, необходимые для теневой коррозии.

Для достижения этой цели была разработана специальная высокотемпературная водная ячейка под высоким давлением, воссоздающая среду активной зоны реактора в Мичиганской лаборатории ионных пучков. Они называют это коррозионной ячейкой.

«Это очень уникальная установка», — сказал Пэн Ван, научный сотрудник UM в области ядерной инженерии и радиологии, ведущий исследователь и первый автор статьи. «Мы первые, кто успешно воспроизвел теневую коррозию за пределами реактора».

Контакт между топливными стержнями из циркалоя и никелевым сплавом несущей конструкции создает напряжение, которое вызывает реакцию коррозии. Но для завершения цепи требуется излучение, которое расщепляет молекулы воды, производя более реактивные вещества, такие как перекись водорода. Они образуются на поверхности никелевого сплава, а затем диффундируют к поверхности циркалоя, ускоряя его коррозию.

Ван продемонстрировал это на плоском образце никелевого сплава, идущем параллельно образцу циркалоя в коррозионной ячейке, и на изогнутом образце, расстояние от которого до циркалоя варьировалось. Изогнутый образец показал, что циркалой был более сильно окислен там, где он был ближе к никелевому сплаву, причем уровень окисления снижался с расстоянием.

«Этот результат подчеркивает универсальность и высокую степень контроля, которые предлагают ускорители и ионы для создания экспериментов с очень хорошо контролируемыми условиями, имитирующими среду в реакторе», — сказал он. «Вы можете изучать проблемы до такой степени, чтобы понять процессы, а затем разрабатывать решения.