Ученым из Московского физико-технического
института (МФТИ) и Объединённого института высоких температур РАН (ОИВТ
РАН) удалось построить теоретическую модель для описания процесса роста
оксидной пленки на поверхности стали в контакте с тяжелым жидкометаллическим
расплавом свинец-висмут — теплоносителем, который может использоваться в
реакторах нового поколения на быстрых нейтронах. Оксидная пленка —
результат коррозии, но ее образование защищает от очень быстрой
(жидкометаллической и межкристаллитной) коррозии. Понимание процесса коррозии
стали в контакте с теплоносителем необходимо для обоснования безопасности
эксплуатации подобных реакторов. Результаты работы опубликованы в журнале Corrosion Science.
Теплоноситель выполняет очень важную роль в работе
атомного реактора — жидкое или газообразное вещество пропускается через
активную зону и выводит тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер.
Расплав свинец-висмут является одним из нескольких потенциальных
теплоносителей, которые могут использоваться в реакторах нового поколения на
быстрых нейтронах Росатома. Сама идея создания ядерного реактора на быстрых
нейтронах зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. В отличие от
«классических» ядерных реакторов, которые работают на тепловых нейтронах,
реакторы на быстрых нейтронах позволяют замкнуть ядерный топливный цикл, что
делает их использование намного более эффективным.
В качестве теплоносителя в «классических» реакторах
используется вода, однако для реакторов на быстрых нейтронах это невозможно.
Таким образом, одними из основных кандидатов на роль теплоносителя являются
жидкий свинец и эвтектический расплав свинца с висмутом. Так, в строящемся под
Томском российском реакторе БРЕСТ-ОД-300 в качестве теплоносителя будет
использоваться жидкий свинец, а в рамках бельгийского проекта MYRRHA
разрабатывается ядерный реактор на основе свинцово-висмутового теплоносителя.
Историческая ретроспектива исследований
жидкометаллической коррозии (согласно Google Trends).
Но жидкий свинец и расплав свинец-висмут являются
активными растворителями для основных компонентов стали, из которой изготавливаются
конструкционные элементы охлаждающего контура ядерного реактора. Чтобы избежать
агрессивного воздействия теплоносителя на сталь, в него добавляют небольшое
количество кислорода, который приводит к образованию оксидной пленки на
поверхности стали. Такая оксидная пленка препятствует прямому контакту и,
следовательно, замедляет деградацию конструкционных материалов. На
сегодняшний день актуальной задачей на стыке физики, химии и компьютерного
моделирования является описание процессов, происходящих на микроскопическом
уровне и приводящих к росту оксидной пленки на поверхности стали. Понимание
этих явлений необходимо для совершенствования технологических процедур и
дальнейшего улучшения свойств материалов, используемых в реакторных установках.
«Растворение стали в контакте с
теплоносителем особенно опасно на топливных элементах в активной зоне ядерного
реактора. При растворении оболочки тепловыделяющего элемента может произойти
выход ядерного топлива в теплоноситель. В связи с этим, безусловно, очень важно
понимать, насколько эффективна защита формирующейся оксидной пленки»,
— рассказывает Владислав Николаев, начальник группы отдела разработки
блока реакторной установки большой мощности НИКИЭТ, научный сотрудник МФТИ и
ОИВТ РАН.
Для решения этой задачи коллектив ученых разработал
теоретическую модель, которая позволяет предсказывать, как будет расти оксидная
пленка на поверхности стали в контакте со свинцово-висмутовым теплоносителем
при заданных условиях в охлаждающем контуре. В отличие от ранних феноменологических
подходов, разработанная модель явным образом учитывает физико-химические
процессы, которые обусловливают образование оксидной пленки.
Схематическое изображение основных процессов,
входящих в физико-химическую модель жидкометаллической коррозии. © Владимир
Стегайлов.
«В разработанную модель мы заложили
уравнения переноса и химические реакции, которые описывают транспорт кислорода
и железа через оксидную пленку. По доступным в открытых источниках
экспериментальным данным нам удалось восстановить физические параметры
протекающих процессов. Для проверки предсказательной способности модели мы
сравнили зависимость толщины оксидной пленки от времени, которую дает наша
модель и экспериментальные данные. Результаты сравнения показали, что
разработанная модель может использоваться для предсказания скорости роста
оксидной пленки на поверхности стали», — описывает
проделанную работу Даниил Колотинский, соавтор работы, аспирант МФТИ и
младший научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.
По словам исследователей, в настоящий момент
разработанная модель может применяться и описывать рост сплошной и однородной
оксидной пленки на поверхности стали.
«Тот факт, что разработанная модель
явным образом учитывает кинетику физических процессов, протекающих во время
роста оксидной пленки, дает возможность рассчитывать параметры модели с помощью
методов атомистического моделирования, реализуя многомасштабный подход»,
— добавляет руководитель исследования Владимир Стегайлов,
руководитель научного исследования, заведующий отделом ОИВТ РАН и лабораторией
суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.
В дальнейшем планируется обобщить модель на случай
неоднородных оксидных пленок. Этот шаг позволит существенно расширить границы
применимости модели и еще сильнее приблизить их к диапазону реальных условий
эксплуатации конструкционных материалов.
«Для развития подобных моделей
необходимы данные о свойствах материалов, которые возможно получить с помощью
микроскопических расчетов из первых принципов. Эти расчеты мы уже проводим на
базе ресурсов суперкомпьютерного центра ОИВТ РАН»,
— отмечает Алексей Тимофеев, заместитель руководителя образовательной
программы «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем»
ЛФИ МФТИ и заместитель директора ОИВТ РАН.
Источник: МФТИ.