Cможет ли карбид кремния сделать атомные реакторы безопаснее?

На смену циркониевой оболочке тепловыделяющих элементов атомных реакторов может прийти более безопасный материал неметаллической природы.

Если у атомного реактора начинаются серьёзные проблемы, наибольшие сложности обычно вызывает взрыв водорода, скапливающегося, когда горячий водяной пар входит в контакт с тепловыделяющим элементом (ТВЭЛом). Покрыты эти ТВЭЛы циркониевым сплавом, имеющим хождение примерно в 90% АЭС.

Можно ли снизить угрозу образования водорода в такой ситуации, которая, закончилась трагедией в Чернобыле и Фукусиме?

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) во главе с Муджидом Казими (Mujid Kazimi) попробовали заменить металлическую оболочку на керамическую.

Учёные провели серию экспериментов, позволяющих, как они считают, думать, что карбид кремния вполне может прийти на смену циркониевому сплаву в названной роли. Материал нагревали не только до нормальных для внутренностей реактора 300 °С, но и проверяли его способность работать в экстремальных условиях, типичных для аварий вроде чернобыльской, с перегревом активной зоны реактора. При этом карбид кремния достойно вёл себя вплоть до температур в 1 500 °С.

Хотя испытания проходили на небольшом исследовательском реакторе, принадлежащем МТИ, в нём создавались условия не только соответствующие химическим, радиационным и тепловым нагрузкам обычных АЭС, но и существенно более жёсткие, встречающиеся лишь при сбоях. Больше всего учёных интересовал вопрос о склонности нового материала стимулировать образование водорода при контакте с водой в момент неисправности систем охлаждения.

Ключевым фактором разрушения ТВЭЛа при перегреве считается резкое усиление коррозии циркониевого сплава с ростом температуры, а также снижение его прочности на 2% при дополнительном нагреве на каждые 10 °С. При достижении 1 300 °С материал, по сути, полностью теряет прочность, а вот карбид кремния не показал её снижения даже при нагреве до полутора тысяч градусов. Интенсивность коррозии в этом температурном диапазоне у него была от 100 до 1 000 раз меньше, чем у привычного металла.

Всё это не только затрудняет образование водорода при перегреве, но и позволяет в принципе эксплуатировать ТВЭЛы в совершенно другом режиме. Сегодня их меняют каждые четыре-пять лет просто из-за того, что постоянный контакт с водой, нагретой до 300 °С, со временем угрожает стенкам разрушением. ТВЭЛы к этому моменту не прекращают своё деление, что вынуждает в дальнейшем использовать их повторно (разумеется, частично). Более устойчивый к коррозии ТВЭЛ может находиться в активной зоне дольше, без нужды в замене.

Понятно, что решения в такой рискованной отрасли не принимаются по результатам одной серии испытаний, требуются дополнительные длительные эксперименты для определения способности карбида кремния к надёжному соединению с металлическими дисками на концах ТВЭЛа. Керамику, как известно, «непросто» сварить, поэтому придётся хорошенько потрудиться, чтобы найти подходящие техпроцессы. К тому же в смысле соединения разных компонентов воедино керамика далеко не так хорошо исследована, как металлы.

Среди других особенностей карбида кремния называется его менее предсказуемая, чем у хорошо изученных металлов, деформация, также требующая дополнительных испытаний.

Но при всём этом карбид кремния пока кажется вполне подходящим кандидатом на замену циркониевого сплава — служащего в атомной энергетике уже полвека.