Ученые из Массачусетского технологического института в настоящее время занимаются поисками и испытаниями новых керамических материалов, способных выдержать экстремальные условия в аварийных ядерных реакторах и сохранить материал ядерного топлива в неприкосновенности даже в случае взрыва реактора, что позволит во много раз снизить ущерб, наносимый такой катастрофой.

Аварии на атомных электростанциях, подобные аварии на Чернобыльской АЭС и японской станции Фукусима, приводят к настолько тяжелым последствиям для людей и окружающей среды, что это побуждает ученых заняться поисками новых технических решений, с помощью которых реакторы ядерных станций станут более безопасными даже в случае возникновения аварийной ситуации. Эксперты в области ядерной энергетики считают, что основной причиной взрыва на станции Фукусима стало скопление газообразного водорода, который получился в результате взаимодействия водяного пара с цирконием, который, в свою очередь, высвободился из расплавленных защитных оболочек топливных стержней ядерного реактора.

Ученые из Массачусетского технологического института в настоящее время занимаются поисками и испытаниями новых керамических материалов, способных выдержать экстремальные условия в аварийных ядерных реакторах и сохранить материал ядерного топлива в неприкосновенности даже в случае взрыва реактора, что позволит во много раз снизить ущерб, наносимый такой катастрофой.

Топливные стержни ядерных реакторов состоят из сотен маленьких шариков или таблеток, изготовленных из обогащенного урана. Масса активного материала помещена внутрь защитной оболочки, изготовленной из керамики на основе окиси циркония или сплава циркония с другими металлами. Эти стержни подаются в активную зону ядерного реактора, где начинает идти медленная реакция ядерного расщепления в ходе которой выделяется большое количество тепловой энергии. Тепловая энергия заставляет кипеть воду системы охлаждения, которая превращается в пар, вращающий турбину, связанную с электрическим генератором.

С точки зрения специалистов Массачусетского технологического института основным кандидатом на роль материала защитной оболочки топливных стержней является одна из форм карбида кремния (silicon carbide, SiC).

Применение такого материала, по сравнению с материалами на основе циркония, используемыми в 90 процентах ядерных реакторов с водяным охлаждением, позволит уменьшить в тысячу раз риск накопления и взрыва газообразного водорода.

«В своих исследованиях мы смотрим сразу на все стороны проблемы, поэтому мы и выбрали направление на замену металло-керамической оболочки топливных стержней полностью керамической» – рассказывает Муджид Кэзими (Mujid Kazimi), профессор Массачусетского технологического института и один из авторов материала, опубликованного в журнале Nuclear Technology – «Найденный нами новый материал с этой точки зрения является крайне многообещающим, но в том виде, в котором он сейчас существует, он еще не готов к использованию его в ядерной энергетике».

Карбид кремния в свое время уже предлагался к использованию в качестве материала защитной оболочки топливных стержней. Но исследователи из Массачусетского технологического института являются первой группой ученых, которая начала всесторонние испытания различных типов этого материала, как при нормальной температуре его работы, равной 300 градусам по шкале Цельсия, так и при экстремальной температуре, превышающей 1500 градуса, которая возникает внутри аварийного ядерного реактора.

Защитная оболочка, разрабатываемая в Массачусетском технологическом институте, имеет трехслойную структуру, состоящую из слоев карбида кремния различного типа. Это позволяет этой оболочке без физического разрушения выдерживать чрезвычайно высокую температуру и давление. Помимо высокой температуры и давления на испытательном стенде моделируются агрессивные химические условия, соответствующие условиям внутри ядерных реакторов большой мощности.

В ходе испытаний ученые обнаружили, что уровень коррозии карбид-кремниевого керамического материала был в 100–1000 раз меньше, чем коррозия материалов на основе циркония, которые теряют свою прочность и начинают плавиться при 1300 градусах.

Защитные оболочки из керамического карбида кремния остаются прочными и не плавятся даже при температурах, намного превышающих 1500 градусов. Помимо этого карбид кремния намного более стоек при нормальных условиях работы из-за его меньшей способности реагировать с водой.

Но, для того, чтобы даже приступить к реальным испытаниям оболочек из карбида кремния ученым предстоит решить одну тяжелую задачу, которая заключается в разработке технологии сварки этого материала, с помощью которой оболочки будут завариваться до герметичного состояния после загрузки в них ядерного топлива. «Нам надо разработать технологию герметичного соединения керамики с керамикой» – рассказывает Муджид Кэзими, – «Это сварное соединение должно выдерживать критические условия, существующие в ядре ядерного реактора, оставаясь целым и герметичным, к сожалению, технологии сварки керамических материалов в настоящее время еще не столь совершенны, как технологии сварки металлов».

Помимо технологии герметичной «закупорки» топливных стержней, ученым придется решить еще множество задач, таких как поиск оптимальной длины и толщины топливных стержней, при которых передача тепла от ядерного материала к внешней охлаждающей жидкости производится максимально эффективным путем. При этом, в данном случае ученым придется идти на компромисс между эффективностью теплопередачи и механической прочностью защитных оболочек, которые должны выдерживать высокую температуру и давление.