Natuurkundigen van de Tomsk Polytechnic University creëren beschermende coatings op basis van titaniumnitride voor de omhulsels van brandstofelementen (brandstofstaven) van kernreactoren. Dergelijke granaten kunnen de hydrogenering van containers met nucleaire brandstof aanzienlijk verminderen, hun levensduur verlengen en reactorexplosies zoals de ramp in Fukushima voorkomen.

"In reactoren, splijtstof wordt geplaatst in speciale 'buizen' gemaakt van zirkoniumlegeringen, brandstofstaven vormen. In de brandstofstaven, er vindt een kernreactie plaats. Als gevolg van radiolyse van de waterkoelvloeistof, en ook als gevolg van de interactie van water en zirkonium onder hoge temperaturen, waterstof komt vrij. Waterstof kan zich ophopen in de omhulsels van brandstofstaven, waardoor hun mechanische eigenschappen achteruitgaan en uiteindelijk worden vernietigd. " zegt een van de ontwikkelaars, een assistent bij de afdeling Algemene Natuurkunde Egor Kashkarov.

Volgens de jonge wetenschapper het gevaar van de interactie van zirkonium en water is dat hoe hoger de reactortemperatuur, hoe meer waterstof er vrijkomt. Bijvoorbeeld, op het Fukushima-1-station in Japan, overstroming van pompapparatuur in de actieve zone zorgde ervoor dat de reactor meer dan 1 opwarmde 200 °C, en een stoom-zirkoniumreactie verliep snel, waarbij een grote hoeveelheid waterstof vrijkomt. De explosie van opgehoopt waterstof resulteerde in een van de grootste stralingsongevallen ter wereld.

Het wetenschappelijke team van de TPU-afdeling van Algemene Natuurkunde creëert beschermende coatings op basis van titaniumnitride om zirkoniumbrandstofstaven te beschermen tegen ophoping van water en waterstof. "Tijdens testen titaniumnitride heeft zichzelf bewezen met een hoge hardheid, slijtvastheid, hittebestendigheid en traagheid. We ontdekten ook dat het goed beschermt tegen waterstofpenetratie in het materiaal, wat essentieel is voor kernenergie. De coatings kunnen de waterstofpenetratie in een zirkoniumlegering verminderen, " zegt Egor Kasjkarov.

De coatings op het zirkoniumsubstraat worden aangebracht met behulp van twee technologieën:magnetronsputteren en vacuümboogafzetting. Beide processen worden uitgevoerd op een op de universiteit gecreëerde opstelling. Het resultaat is een dunne filmcoating - niet meer dan twee micron dik.

"Een van de toepassingen van de uitgebreide titaniumnitridecoatings zijn reactoren van de volgende generatie en thermische kernreactoren waar waterstofondoorlatende coatings een dringend probleem zijn. In dergelijke toekomstige reactoren, temperaturen worden verondersteld te stijgen tot 400-450 ° C om de efficiëntie van de brandstofverbranding te verbeteren. Bijgevolg, hydrogenering van splijtstofstaven zal hier veel sneller zijn. Onze coatings kunnen dit voorkomen, ", zegt de ontwikkelaar.