Захист з нового матеріалу убезпечить ядерні електростанції у випадку аварії
Аварії на атомних електростанціях, подібні аварії на Чорнобильській АЕС та японській станції " Фукусіма, призводять до настільки тяжких наслідків для людей і навколишнього середовища, що це спонукає вчених зайнятися пошуками нових технічних рішень, за допомогою яких реактори ядерні станції стануть більш безпечними навіть у разі виникнення аварійної ситуації. Експерти в області ядерної енергетики вважають, що основною причиною вибуху на станції Фукусіма стало скупчення газоподібного водню, який вийшов в результаті взаємодії водяної пари з цирконієм, який, у свою чергу, вивільнився з розплавлених захисних оболонок паливних стрижнів ядерного реактора. Вчені з Массачусетського технологічного інституту даний час займаються пошуками і випробуваннями нових керамічних матеріалів, здатних витримати екстремальні умови в аварійних ядерних реакторах і зберегти матеріал ядерного палива в недоторканності навіть у разі вибуху реактора, що дозволить у багато разів знизити збиток, що наноситься такою катастрофою.
Паливні стрижні для ядерних реакторів складаються з сотень маленьких кульок або таблеток, виготовлених із збагаченого урану. Маса активного матеріалу поміщена всередину захисної оболонки, виготовленої з кераміки на основі оксиду цирконію або сплаву цирконію з іншими металами. Ці стрижні подаються до активної зони ядерного реактора, де починає йти повільна реакція ядерного поділу в ході якої виділяється велика кількість теплової енергії. Теплова енергія змушує кипіти воду системи охолодження, яка перетворюється в пар, що обертає турбіну, пов'язану з електричним генератором.
З точки зору фахівців Массачусетського технологічного інституту основним кандидатом на роль матеріалу захисної оболонки паливних стрижнів є одна з форм карбіду кремнію (silicon carbide, SiC). Застосування такого матеріалу, порівняно з матеріалами на основі цирконію, використовуваними в 90 відсотках ядерних реакторів з водяним охолодженням, дозволить зменшити в тисячу разів ризик накопичення і вибуху газоподібного водню.
"У своїх дослідженнях ми дивимося відразу на всі сторони проблеми, тому ми і вибрали напрямок на заміну метало-керамічної оболонки паливних стрижнів повністю керамічної" - розповідає Муджид Кэзими (Mujid Kazimi), професор Массачусетського технологічного інституту і один з авторів матеріалу, опублікованого в журналі Nuclear Technology - "Знайдений нами новий матеріал з цієї точки зору є вкрай перспективним, але в тому вигляді, в якому він зараз існує, він ще не готовий до використання його в ядерній енергетиці".
Карбід кремнію у свій час уже пропонувався до використання в якості матеріалу захисної оболонки паливних стрижнів. Але дослідники з Массачусетського технологічного інституту є першою групою вчених, яка почала всебічні випробування різних типів цього матеріалу, як при нормальній температурі його роботи, що дорівнює 300 градусів за шкалою Цельсія, так і при екстремальній температурі, що перевищує 1500 градуси, яка виникає всередині аварійного ядерного реактора.
Захисна оболонка, розроблений в Массачусетському технологічному інституті, має тришарову структуру, що складається з шарів карбіду кремнію різного типу. Це дозволяє цій оболонці без фізичного руйнування витримувати надзвичайно високу температуру і тиск. Крім високої температури і тиску на випробувальному стенді моделюються агресивні хімічні умови, що відповідають умовам всередині ядерних реакторів великої потужності.
В ході випробувань вчені виявили, що рівень корозії карбід-кремнієвого керамічного матеріалу був в 100-1000 разів менше, ніж корозія матеріалів на основі цирконію, які втрачають свою міцність і починають плавитися при 1300 градусах. Захисні оболонки з керамічної карбіду кремнію залишаються міцними і не плавляться навіть при температурах, набагато перевищують 1500 градусів. Крім цього карбід кремнію набагато більш стійкий при нормальних умовах роботи через його меншу здатності реагувати з водою.
Але, навіть для того, щоб приступити до реальних випробувань оболонок з карбіду кремнію ученим належить вирішити одну важку задачу, яка полягає в розробці технології зварювання цього матеріалу, з допомогою якої оболонки заварюватися до герметичного стану після завантаження в них ядерного палива. "Нам треба розробити технологію герметичного з'єднання металу з керамікою" - розповідає Муджид Кэзими, - "Це зварне з'єднання повинно витримувати критичні умови, існуючі в ядрі ядерного реактора, залишаючись цілим і герметичним, на жаль, технології зварювання керамічних матеріалів в даний час ще не настільки досконалі, як технології зварювання металів".
Крім технології герметичній "закупорки" паливних стрижнів, вченим доведеться вирішити ще багато завдань, таких як пошук оптимальної довжини і товщини паливних стрижнів, при яких передача тепла від ядерного матеріалу до зовнішньої охолоджуючої рідини проводиться максимально ефективним шляхом. При цьому, в даному випадку вченим доведеться йти на компроміс між ефективністю теплопередачі і механічною міцністю захисних оболонок, які повинні витримувати високу температуру і тиск.