Разработанная сотрудниками МФТИ и ОИВТ РАН теоретическая модель описывает поведение внешнего слоя защитной пленки ядерного реактора на быстрых нейтронах при различных условиях эксплуатации. Тонкий оксидный слой выполняет важнейшую функцию — защищает стенки конструкции от коррозии. Предложенный вариант моделирования позволит существенно сэкономить на экспериментальных испытаниях и математически обосновать безопасные режимы эксплуатации будущих реакторов. Результат научной работы опубликован в журнале Corrosion Science.
В отличие от классических реакторов, в которых в качестве теплоносителя используется вода, для реакторов на быстрых нейтронах необходимы альтернативные виды теплоносителей. Один из возможных вариантов — тяжелый жидкометаллический расплав свинец-висмут. Использование этого теплоносителя осложняется тем, что он агрессивно взаимодействует со стальными элементами реактора — растворяет их при возникновении прямого контакта.
Для защиты металлических элементов от пагубного влияния теплоносителя в него добавляется небольшое количество кислорода, который создает на поверхности стали защитную пленку.
Строящийся под Томском реактор на быстрых нейтронах БРЕСТ-ОД-300. Источник: ТВЭЛ РОСАТОМ
Толщина этого оксидного слоя существенно влияет на коэффициент теплопередачи: чем больше коэффициент, тем легче тепло передается от источника к нагреваемому элементу. Проще говоря, если оксидная пленка будет слишком толстой, то это может привести к перегреву активной зоны.
«Разработанная модель в рамках совместного проекта МФТИ и ОИВТ РАН позволила нам последовательно и согласованно объяснить коррозионные эксперименты, в которых наблюдалось частичное либо полное растворение внешнего слоя оксидной пленки, причем без привлечения дополнительных явлений, таких как эрозионное утонение оксидного слоя в потоке теплоносителя. Этот результат позволяет сделать еще один шаг в сторону устранения пробелов в понимании процессов в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе», — рассказывает Владислав Николаев, начальник группы отдела разработки блока реакторной установки большой мощности АО «НИКИЭТ», научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.
Теоретическая модель вариантов безопасной эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах позволит существенно ускорить и удешевить процесс экспериментальных исследований конструкций перед их запуском. Как отмечает научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния Даниил Колотинский, обычно на это требуется сотни тысяч часов и тесты на масштабных коррозионных стендах.
Модель локального термодинамического равновесия. Источник: Corrosion Science
«По сравнению с мировыми аналогами, разработанная нами модель не требует предварительной оптимизации по данным коррозионных экспериментов. Напротив, на основании известных термодинамических данных и данных о коэффициентах массопереноса в теплоносителе она позволяет предсказывать, что будет происходить с внешним слоем оксидной пленки в конкретных условиях коррозионных испытаний», — уточняет Даниил Колотинский, научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ, научный сотрудник ОИВТ РАН.
В ближайших планах исследователей — обобщить модель на случай неоднородных оксидных пленок и локальных видов коррозионных процессов. Этот шаг позволит существенно расширить границы применимости модели и еще сильнее приблизить их к диапазону реальных условий эксплуатации конструкционных материалов в реакторных установках на быстрых нейтронах.
