• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
31.01.2023
ФизТех
3
18 758

При помощи квантовой физики и электрохимии российские ученые открыли методы защиты стали от коррозии в реакторах нового типа

4.9

Ученым из МФТИ и ОИВТ РАН удалось построить теоретическую модель для описания процесса роста оксидной пленки на поверхности стали в контакте с тяжелым жидкометаллическим расплавом свинец-висмут — теплоносителем, который может использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах. Оксидная пленка — результат коррозии, но ее образование защищает от очень быстрой (жидкометаллической и межкристаллитной) коррозии. Понимание процесса коррозии стали в контакте с теплоносителем необходимо для обоснования безопасности эксплуатации подобных реакторов.

При помощи квантовой физики и электрохимии российские ученые открыли методы защиты стали от коррозии в реакторах нового типа / ©Getty images / Автор: Visellia Orfius

Результаты работы опубликованы в журнале Corrosion Science. Теплоноситель выполняет очень важную роль в работе атомного реактора — жидкое или газообразное вещество пропускается через активную зону и выводит тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер. Расплав свинец-висмут является одним из нескольких потенциальных теплоносителей, которые могут использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах Росатома. Сама идея создания ядерного реактора на быстрых нейтронах зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. В отличие от «классических» ядерных реакторов, которые работают на тепловых нейтронах, реакторы на быстрых нейтронах позволяют замкнуть ядерный топливный цикл, что делает их использование намного более эффективным.

В качестве теплоносителя в «классических» реакторах используется вода, однако для реакторов на быстрых нейтронах это невозможно. Таким образом, одними из основных кандидатов на роль теплоносителя являются жидкий свинец и эвтектический расплав свинца с висмутом. Так, в строящемся под Томском российском реакторе БРЕСТ-ОД-300 в качестве теплоносителя будет использоваться жидкий свинец, а в рамках бельгийского проекта MYRRHA разрабатывается ядерный реактор на основе свинцово-висмутового теплоносителя.

Но жидкий свинец и расплав свинец-висмут являются активными растворителями для основных компонентов стали, из которой изготавливаются конструкционные элементы охлаждающего контура ядерного реактора. Чтобы избежать агрессивного воздействия теплоносителя на сталь, в него добавляют небольшое количество кислорода, который приводит к образованию оксидной пленки на поверхности стали. Такая оксидная пленка препятствует прямому контакту и, следовательно, замедляет деградацию конструкционных материалов.

На сегодняшний день актуальной задачей на стыке физики, химии и компьютерного моделирования является описание процессов, происходящих на микроскопическом уровне и приводящих к росту оксидной пленки на поверхности стали. Понимание этих явлений необходимо для совершенствования технологических процедур и дальнейшего улучшения свойств материалов, используемых в реакторных установках.

Историческая ретроспектива исследований жидкометаллической коррозии
(согласно Google Trends) / ©Пресс-служба МФТИ

«Растворение стали в контакте с теплоносителем особенно опасно на топливных элементах в активной зоне ядерного реактора. При растворении оболочки тепловыделяющего элемента может произойти выход ядерного топлива в теплоноситель. В связи с этим, безусловно, очень важно понимать, насколько эффективна защита формирующейся оксидной пленки», — рассказывает Владислав Николаев, начальник группы отдела разработки блока реакторной установки большой мощности НИКИЭТ, научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.

Для решения этой задачи коллектив ученых разработал теоретическую модель, которая позволяет предсказывать, как будет расти оксидная пленка на поверхности стали в контакте со свинцово-висмутовым теплоносителем при заданных условиях в охлаждающем контуре. В отличие от ранних феноменологических подходов, разработанная модель явным образом учитывает физико-химические процессы, которые обусловливают образование оксидной пленки.

«В разработанную модель мы заложили уравнения переноса и химические реакции, которые описывают транспорт кислорода и железа через оксидную пленку. По доступным в открытых источниках экспериментальным данным нам удалось восстановить физические параметры протекающих процессов. Для проверки предсказательной способности модели мы сравнили зависимость толщины оксидной пленки от времени, которую дает наша модель и экспериментальные данные. Результаты сравнения показали, что разработанная модель может использоваться для предсказания скорости роста оксидной пленки на поверхности стали», — описывает проделанную работу Даниил Колотинский, соавтор работы, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.

Схематическое изображение основных процессов, входящих в физико-химическую модель жидкометаллической коррозии / ©Corrosion Science

По словам исследователей, в настоящий момент разработанная модель может применяться и описывать рост сплошной и однородной оксидной пленки на поверхности стали. «Тот факт, что разработанная модель явным образом учитывает кинетику физических процессов, протекающих во время роста оксидной пленки, дает возможность рассчитывать параметры модели с помощью методов атомистического моделирования, реализуя многомасштабный подход», — добавляет руководитель исследования Владимир Стегайлов, руководитель научного исследования, заведующий отделом ОИВТ РАН и лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

В дальнейшем планируется обобщить модель на случай неоднородных оксидных пленок. Этот шаг позволит существенно расширить границы применимости модели и еще сильнее приблизить их к диапазону реальных условий эксплуатации конструкционных материалов.
«Для развития подобных моделей необходимы данные о свойствах материалов, которые возможно получить с помощью микроскопических расчетов из первых принципов. Эти расчеты мы уже проводим на базе ресурсов суперкомпьютерного центра ОИВТ РАН», — отмечает Алексей Тимофеев, заместитель руководителя образовательной программы «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем» ЛФИ МФТИ и заместитель директора ОИВТ РАН. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 14:24
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

9 часов назад
Полина Меньшова

Сидячий образ жизни часто называют «новым курением», поскольку отсутствие физической активности и работа в неудобных позах приводит к большому количеству проблем со здоровьем. В связи с этим появился тренд на столы для работы стоя. Исследователи из США изучили разные типы рабочих мест и оценили их эффективность — как для здоровья сотрудников, так и для производительности.

Вчера, 19:04
Александр Березин

По уточненным данным, для свода Международной космической станции с орбиты компания Илона Маска использует сильно измененный грузовой корабль, имеющий рекордно большое количество двигателей (больше, чем у любого другого корабля в истории). Однако это не будет Starship, хотя для него такая задача в теории была бы проще.

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

16 июля
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

13 июля
Татьяна

Все клеточные организмы ученые ведут от гипотетического предка — LUCA. Существует масса предположений и расчетов о том, как он был устроен, где и когда возник. В новой работе исследователи из Великобритании попытались ответить на эти вопросы.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментария
Shelove517
31.01.2023
-
1
+
В статье про реакторы на быстрых нейтронах, а на фото на превьюшке - токамак
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно