Русский (RU) 
English (UK) Система "перспективные материалы активной зоны - жидкометаллические теплоносители": фазовые равновесия, высокотемпературное взаимодействие
Аннотация Проекта
Проект направлен на исследование фазовых равновесий в системе U-Pb-Bi-Fe-Cr-Ni-N-O. Выбор элементов обусловлен основными компонентами материалов, используемых в активной зоне ядерного реактора, а именно: нитридное урановое топливо, стальные оболочки твэл, реакторная сталь, свинцовый и свинцово-висмутовый теплоносители, продукты их высокотемпературного взаимодействия в инертной и окислительно й атмосфере.
Наличие достоверной информации о фазовых равновесиях в высокотемпературной области данной многокомпонентной системы является необходимым условием разработки более эффективных видов топлива для АЭС нового поколения безопасности. Данные о фазовых равновесиях позволят проводить достоверный физико-химический прогноз процессов, протекающих при штатной работе реакторных установок, а также прогнозировать последствия тяжелых аварий на эксплуатируемых АЭС и ликвидировать возможные проектные уязвимости на строящихся ЯЭУ. Такая информация, в частности, требуется для создания надежных систем безопасности, охватывающих процессы от разработки, изготовления, загрузки, эксплуатации и выгрузки топлива, а также его утилизации. Этими обстоятельствами обусловлена актуальность исследования.
К числу наиболее сложных физико-химических, технологических и инженерных проблем ядерной энергетики относится создание и обоснование материалов основного теплоэнергетического оборудования реакторов, прежде всего активной зоны. Керамическое ядерное топливо на основе диоксида урана является одним из основных видов топлива реакторов на тепловых нейтронах, таких как ВВЭР, РБМК, PWR, BWR. Несмотря на очевидные преимущества оксидного керамического топлива (высокая температура плавления, высокая плотность, отсутствие взаимодействия с оболочками твэлов и конструкционными материалами при рабочих температурах), оно имеет ряд недостатков, основными из которых являются высокая хрупкость и низкая теплопроводность. В связи с чем, актуален поиск альтернативных вариантов типа и технологии топливных элементов, в которых были бы минимизированы недостатки традиционной оксидной керамики на основе UO2, обеспечивался повышенный уровень безопасности, улучшение прочностных характеристик, повышение устойчивости к распуханию, способность к локализации газообразных продуктов распада. Альтернативой оксидному топливу выступает нитридное топливо, преимуществами которого являются более высокая плотность по делящемуся материалу, высокая теплопроводность, лучшая совместимость со свинцовым теплоносителем, лучшая механическая и термическая стойкость.
Основной интерес к тяжелым жидкометаллическим теплоносителям обусловлен рядом их преимуществ по сравнению с легководным теплоносителем. Например, теплоноситель на основе свинцово-висмутовой эвтектики имеет при низкой температуре плавления высокую температуру кипения. Он химически инертен, имеет относительно низкую радиационную активируемость. При использовании тяжелых металлических теплоносителей отсутствует необходимость в создании высокого давления в первом контуре реактора, что предоставляет широкие возможности выбора вариантов при проектировании и способствует улучшению безопасности ядерной энергетической установки.
В сценарии тяжелой аварии на АЭС наиболее критичным является поведение топливных композиций, в частности, взаимодействие с теплоносителем, а также взаимодействие теплоносителя с конструкционными материалами. Формирующаяся система активной зоны является многокомпонентной, меняющейся по соотношению компонентов и фаз в зависимости от условий протекания тяжелой аварии и типа ядерного реактора. Экспериментальное построение фазовой диаграммы такой многокомпонентной системы является практически нерешаемой задачей. Однако в настоящее время интенсивно развиваются расчетные методы построения фазовых диаграмм, реализованные в форме различных программ (таких как THERMO-CALC, MTDATA, GEMINI2 и т.д.) и программно-ориентированных баз данных (например, IVTANTHERMO, NUCLEA, NIST/ACerS и др.), которые используются, в частности, для моделирования физико-химических процессов, происходящих при тяжелых авариях на АЭС. Вместе с тем, для параметризации и уточнения термодинамических моделей многокомпонентных систем требуется пополнение баз данных фазовых диаграмм и уточнение имеющихся данных о фазовых равновесиях. При этом базисными для решения указанных задач являются данные о фазовых равновесиях в бинарных, квазибинарных и тройных системах. Сведения о диаграммах состояния таких систем, несмотря на многочисленные интенсивные исследования в течение второй половины XX и в начале XXI века, до сих пор отрывочны, противоречивы и не позволяют проводить количественные расчеты поведения системы с той степенью надежности результатов, которая необходима для анализа возможных сценариев развития тяжелой аварии на АЭС.
Научная новизна проекта заключается в заполнении пробелов и снятии противоречий в данных о фазовых равновесиях в системе U-Pb-Bi-Fe-Cr-Ni-N-O. Экспериментальное исследование фазовых равновесий будет проводиться на комплексе экспериментальных установок «Расплав» в основе работы которых лежит метод индукционной плавки в холодном тигле, а также классическими методами термического анализа. Для повышения точности данных о фазовых равновесиях в рамках проекта планируется проведение термодинамического моделирования фазовых равновесий в исследуемой системе.
Результаты, полученные при работе над Проектом в 2022 году, опубликованы в следующих статьях:
1. Phase equilibria in the U-Pb-Bi-Fe-Cr-Ni-N system - the basis of materials for advanced reactors with heavy liquid metal coolants: a review
Timchuk A.V., Kotova M.E., Shuvaeva E.B., Almjashev V.I.
(JNM. 2023. DOI: to be published)