Новая модель предскажет коррозию реакторов нового поколения

В атомных реакторах протекает реакция, в ходе которой ядро 235U делится на два осколка под действием лишь одного нейтрона, а получается уже два-три. Они попадают на соседние ядра, запуская реакцию уже в них. Осколки имеют большую кинетическую энергию, которую они передают теплоносителю, тот нагревает и испаряет воду, а уже пар вращает турбину генератора.

В обычных реакторах в активной зоне, где и происходят описанные события, присутствует замедлитель, который тормозит быстрые высокоэнергетические нейтроны, делая их тепловыми. Однако последние могут запускать деление только ядер 235U, которых даже в обогащенном топливе не более 5%, а остальная часть (238U) остается невостребованной. Запустить ее деление могут быстрые нейтроны (на них основаны новейшие и очень перспективные реакторы). Их тормозить уже не надо, а потому вода в качестве теплоносителя не подходит. Приходится использовать легкоплавкие металлы, например свинец или смесь висмута и свинца. Вместе с тем такой теплоноситель отлично реагирует со сталью, из которой сделаны части реактора, что чревато их повреждением. Чтобы избежать агрессивного воздействия теплоносителя на сталь, в него добавляют небольшое количество кислорода, который приводит к образованию оксидной пленки. Она препятствует прямому контакту и, следовательно, замедляет деградацию конструкционных материалов.

Сотрудники МФТИ и ОИВТ РАН разработали 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.

«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 реакторного реакторной установки большой мощности НИКИЭТ, научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.

«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.