 Как и большая часть остального мира, тысячи ученых и инженеров наблюдали в марте 2011 года, как взрывались ядерные реакторы Фукусимы в Японии. Цепь событий началась, когда землетрясение магнитудой 9 у побережья Тохоку вызвало цунами, которое разрушило способность охлаждать топливные элементы в реакторах.
Оболочка топливного элемента - сплав циркония, используемый для хранения топлива и радиоактивных продуктов деления - подверглась взаимодействию с кипящей охлаждающей жидкостью, образуя газообразный водород, который затем взорвался, в результате чего произошла самая большая атомная катастрофа с момента Чернобыля.
После этого события две научно-исследовательские команды добились прогресса в разработке оболочек топливных элементов, которые способны выдерживать высокие температуры, возникающие в результате потери охлаждающей жидкости, как на Фукусиме. Обе команды будут представлять свои результаты на 62-м международном симпозиуме и выставке, которая пройдет 18-23 октября в Сан-Хосе, штат Калифорния.
В Иллинойском технологическом институте исследователи стремятся определить, может ли карбид кремния стать адекватной облицовкой, в то же время снижая возможность водородных взрывов. Ядерная оболочка предотвращает радиоактивные продукты деления от проникновения в охлаждающую жидкость, и должна удерживаться в экстремальных условиях, которые могут присутствовать во время аварии. Для этой цели исследователи провели один из первых экспериментов, чтобы описать физические и химические свойства радиоактивных элементов в карбиде кремния в аварийных условиях.
Их подход сочетает теорию и эксперимент, используя ресурсы от нескольких национальных лабораторий и институтов для преодоления разрыва между предсказаниями моделей и экспериментальных данных из более ранних прикладных измерений. Эти сложные среды часто трудно предсказать теоретически. Учение лаборатории Ок-Ридж сделали замечательную работу по прогнозированию реакционной способности продуктов деления на модели монокристаллических поверхностей из карбида кремния.
Исследователям был нужен способ измерения фактического положения элементов в материалах, чтобы точность моделей могла быть проверена. В Иллинойском технологическом институте, группа смогла создать модели материалов, используемых в расчетах, и экспериментально определить среду каждого элемента - как в модельных материалах, так и в облученных оболочках топливного элемента.
Уже не становится практично проверять каждый элемент в ядерном реакторе на провал. Необходимо иметь модели, которые предсказывают, что на самом деле произойдет. Для продвижения развития более надежных моделей исследовательская группа использовала систему импульсного лазерного осаждения для создания пленок модельных поверхностей, подобных тем, которые используются в работе по моделированию.
Синхротронные измерения модельных пленок, сделанных с помощью импульсного лазерного осаждения, затем сравнивают со сложными горючими материалами, которые облучаются в атомных реакторах для определения химии, которая происходит в материале, и понимания того, что происходит в различных продуктах деления в барьерном слое карбида кремния. В конечном счете, это обеспечит макетчиков данными, необходимыми для более точного прогнозирования того, что будет происходить во время аварий. Следующим шагом для исследователей станет объединение знаний, полученных от спектроскопии в синхротроне с измерениями микроскопии, в настоящее время проходящей в Национальной лаборатории Ок-Ридж.
Отдельная усилия, также вдохновленные катастрофой в Японии, проводятся учеными из Чехии, которые разработали новую технологию, защищающую поверхность оболочек топливных элементов ядерных реакторов. Они наложили гомогенный алмазный слой из газовой фазы в микроволновую плазму, которая изолирует оболочку от воздействия окружающей среды ядерного реактора.
Алмазный слой имеет много преимуществ. В дополнение к алмазным зерным, он содержит аморфный углерод, так что он является прочным и одновременно гибким, обеспечивая оболочку, которая является механически прочной и может адаптироваться к тепловому расширению во время работы реактора.
Химического осаждение поликристаллических алмазных пленок является мощным методом, который дает исследователям путь к однородно покрытию любого трехмерного материала высококачественной алмазной пленкой. Совсем недавно учение успешно наложили композитный слой поликристаллического алмаза в 300 нанометров.
Имея высокой кристаллические алмазы и низкую шероховатость, поликристаллическая алмазная пленка может защитить от нежелательного окисления и консолидации химической стабильности оболочки, в то же время сохраняя свою функциональность. После облучения пучком ионов алмазная пленка сохраняет удовлетворительную структурную целостность. Даже при температуре выше 850 градусов по Цельсию, поверхность может быть эффективно защищена от коррозии, вызванной горячим паром.
Следующие шаги будут иметь решающее значение для реализации потенциала этой технологии. В настоящее время все тесты проводились в условиях, которые имитируют присутствие оболочек с алмазным покрытием внутри ядерного реактора. Тем не менее, предполагается расширенное тестирование в реальных реакторах. Это может помочь продвинуть не только технологию алмазного покрытия и соответствующие процессы, но и специальное использование поликристаллического алмаза в качестве функционального антикоррозионного материала в атомной энергетике.
|
