事故容錯燃料:科學家找到提高反應堆安全性的方法

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俄羅斯國立核研究大學“莫斯科工程物理學院”(NRNU MEPhI)的科學家研制出MIR反應堆照射裝置所需的含鉻保護塗層包殼後,解決了研發事故容錯核燃料道路上燃料元件(燃料棒)包殼表面塗層成分的選擇問題。

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根據國際原子能機構(IAEA)數據,截止到2018年初,全世界共運行有448座核反應堆,建造了50多座核反應堆。核電站的基礎反應堆是壓水反應堆(VVER)。

壓水反應堆燃料棒的主要結構材料是可在350 °C的高溫下成功運行的鋯合金。當包殼溫度超過800-900°C時,例如在反應堆緊急停止散熱的情況下,鋯和水蒸氣發生反應,形成易爆炸的氫。

NRNU MEPhI 材料科學物理問題教研室主任鮑里斯·卡林教授表示:“為了避免鋯與蒸汽相互作用,科學家建議用可以保護鋯不與蒸汽接觸的材料覆蓋燃料棒表面,包括鉻。因此我們解決了成分選擇和在長達500毫米的燃料管碎片上塗覆含鉻保護層的科學技術任務。結果就是在1200°C的溫度下,鋯在蒸汽中的氧化反應速度顯著減慢。”

據他所言,離子束處理燃料管的方法是用氬離子拋光或蝕刻管子表面,以處理粗糙不平之處。然後,在不破壞安裝室真空的情況下,在管子表面以塗層形式(最厚10微米)逐層噴鍍裝在磁控管(在電極表面產生特殊等離子體放電以便用等離子體離子噴射該電極的裝置)上用作電極的合金。

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在整個處理流程結束後,NRNU MEPhI對塗層的成分、結構和厚度進行了電子顯微鏡和離子顯微鏡研究。科學家還測試了塗層的耐磨性(在摩擦鋯零件時)、在水中(350°C,160atm水壓,72小時內)及在蒸汽中(1200°C)的氧化作用。

鮑里斯·卡林表示:“在定期重復實驗、改變磁控管上的電極成分和處理模式、分析實驗結果後,我們選擇了最優的塗層成分,並成功防止鋯管外表面在1200°C下在400秒時間內發生氧化。”

此研究結果在第16屆國際學術會議《新材料:事故容錯核燃料》上提出。大會在NRNU MEPhI材料科學物理問題教研室材料離子束處理小組和實驗室的倡議下舉行。

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