Корозійна стійкість наявних і перспективних матеріалів оболонок ядерного палива реакторів з водяним охолодженням
ЗУЙОК В.А.$^{1}$, КОВАЛЕНКО Ю.І.$^{2}$, ШТЕФАН В.В.$^{2,3}$, РУДЬ Р.О.$^{1}$, ТРЕТ’ЯКОВ М.В.$^{1}$, КУШТИМ Я.О.$^{1}$
$^1$Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, вул. Академічна, 1, 61108 Харків, Україна
$^2$Кафедра технічної електрохімії Навчально-наукового інституту хімічних технологій та інженерії Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, 61002 Харків, Україна
$^3$Інститут дослідження твердого тіла та матеріалів ім. Ляйбніца, Гельмгольцштрассе, 20, 01069 Дрезден, Німеччина
Отримано 04.12.2023, остаточна версія 02.05.2024 Завантажити PDF
Анотація
Узагальнено доступні літературні експериментальні дані з корозійної стійкості традиційних і перспективних матеріалів оболонок тепловидільних елементів ядерного палива реакторів водяним охолодженням. Представлено огляд основних груп цирконієвих сплавів, які добре зарекомендували себе в процесі експлуатації упродовж понад половини століття. Зазначено, що постійно провадяться науково-дослідні роботи в напрямах вдосконалення цирконієвих сплавів шляхом оптимізації композиції сплавів, зокрема кількости Стануму, Ніобію, Феруму й Оксиґену, а також розробки нових сплавів. Насамперед, напрям цих робіт стимулюють жорсткі вимоги до атомної енергетики, серед яких — максимальна безпека, економічність та екологічність. Разом з цим останнім десятиліттям однією з основних цілей дослідників всього світу є розробка ядерного палива з підвищеною стійкістю щодо аварій. Черговим триґером цього була аварія 2011 року на атомній станції Фукусіма-1. Найбільш оптимальним з можливих рішень вважається розробка покриттів оболонок тепловидільних елементів, які містять Хром. Такі покриття забезпечують підвищену корозійну стійкість, зносостійкість, а також понижену воднепроникність за робочих температур теплоносія першого контуру та під час аварійних ситуацій. Більш радикальним шляхом підвищення стійкості оболонок твелів щодо аварій є заміна цирконієвого сплаву на інший. Ліпшими кандидатами є сплави FeCrAl і дуплексні нержавіючі сталі, корозійна стійкість яких під час аварій із втратою теплоносія може до 50 разів перевищувати стійкість сплавів цирконію. На жаль, за номінальних експлуатаційних режимів реакторів з водяним охолодженням тривала експлуатація оболонок твелів, виготовлених з цих матеріалів, призведе до утворення та винесення продуктів корозії до теплоносія з подальшою активацією їх і формуванням відкладень в активній зоні та парогенераторі, що неодмінно спричинить підвищення потужности дози опромінення від обладнання першого контуру. Серед розглянутих наявних і перспективних металевих матеріалів оболонок твелів реакторів з водяним охолодженням, які можуть зменшувати наслідки аварій, пов’язаних з перегрівом активної зони, найбільш перспективним можна вважати цирконієвий сплав оптимізованого складу з хромовими покриттями. Такі оболонки твелів матимуть вищу корозійну стійкість щонайменше у п’ять разів у порівнянні зі штатними цирконієвими сплавами без покриттів як за нормальних умов експлуатації, так і під час перегріву активної зони, а також не спричинять значного поглинання нейтронів і не призведуть до активації теплоносія або утворення відкладень у першому контурі.
Ключові слова: тонкі плівки, йонне бомбардування, поверхні, фазові перетворення, зносостійкість.
DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.25.02.243
Citation: V.A. Zuyok, Yu.I. Kovalenko, V.V. Shtefan, R.O. Rud, M.V. Tretiakov, and Ya.O. Kushtym, Corrosion Resistance of Traditional and Advanced Fuel Rod Cladding Materials for Water-Cooled Reactors, Progress in Physics of Metals, 25, No. 2: 243–275 (2024)