I fisici della Tomsk Polytechnic University stanno creando rivestimenti protettivi a base di nitruro di titanio per i gusci degli elementi di combustibile (barre di combustibile) dei reattori nucleari. Tali proiettili possono ridurre significativamente l'idrogenazione dei contenitori che contengono combustibile nucleare, prolungare la loro vita utile e prevenire esplosioni del reattore come il disastro di Fukushima.
"Nei reattori, il combustibile nucleare è posto in speciali 'tubi' fatti di leghe di zirconio, formando barre di combustibile. Nelle barre di combustibile, avviene una reazione nucleare. Come risultato della radiolisi del liquido di raffreddamento, e anche come risultato dell'interazione di acqua e zirconio ad alte temperature, viene rilasciato idrogeno. L'idrogeno è in grado di accumularsi nei gusci delle barre di combustibile causando il degrado delle loro proprietà meccaniche e l'eventuale distruzione, " dice uno degli sviluppatori, un assistente presso il Dipartimento di Fisica Generale Egor Kashkarov.
Secondo il giovane scienziato, il pericolo presentato dall'interazione di zirconio e acqua è che maggiore è la temperatura del reattore, più idrogeno viene rilasciato. Per esempio, alla stazione di Fukushima-1 in Giappone, l'allagamento delle apparecchiature di pompaggio nella zona attiva ha causato il surriscaldamento del reattore oltre 1, 200°C, e una reazione vapore-zirconio procedette rapidamente, rilasciando una grande quantità di idrogeno. L'esplosione dell'idrogeno accumulato ha provocato uno dei più grandi incidenti da radiazioni al mondo.
Il team scientifico del Dipartimento di fisica generale del TPU sta creando rivestimenti protettivi a base di nitruro di titanio per proteggere le barre di combustibile di zirconio dall'accumulo di acqua e idrogeno. "Durante i test, nitruro di titanio si è dimostrato con elevata durezza, resistenza all'usura, resistenza al calore e inerzia. Abbiamo anche scoperto che protegge bene dalla penetrazione dell'idrogeno nel materiale, ciò che è critico per l'energia nucleare. I rivestimenti possono ridurre la penetrazione dell'idrogeno nella lega di zirconio, "dice Egor Kashkarov.
I rivestimenti sul substrato di zirconio vengono applicati utilizzando due tecnologie:magnetron sputtering e deposizione ad arco sotto vuoto. Entrambi i processi vengono eseguiti su un allestimento creato presso l'università. Il risultato è un rivestimento a film sottile, non più spesso di due micron.
"Una delle applicazioni degli elaborati rivestimenti in nitruro di titanio sono i reattori di nuova generazione e i reattori nucleari termici in cui i rivestimenti impermeabili all'idrogeno sono un problema urgente. In tali reattori futuri, le temperature dovrebbero aumentare fino a 400-450 °C per migliorare l'efficienza del consumo di carburante. Di conseguenza, l'idrogenazione delle barre di combustibile sarà qui molto più veloce. I nostri rivestimenti sono in grado di prevenirlo, "dice lo sviluppatore.
