При помощи квантовой физики и электрохимии российские ученые открыли методы защиты стали от коррозии в реакторах нового типа
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.
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.
(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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые из МФТИ и ИППИ РАН выяснили, что у квантовых полей вблизи черных дыр (или ускоренно расширяющейся Вселенной) есть «порог нагрева». До этого порога чем выше температура, тем быстрее поле «забывает» свое прошлое. А выше порога нагрев уже не помогает: скорость забывания становится постоянной и определяется не температурой, а самой формой пространства (например, размером горизонта).
Ученые создали математическую модель, которая показала вероятную гибель древнего спутника Венеры из-за гравитационных сил. Теоретическое исследование предлагает один из сценариев развития Солнечной системы, чтобы понять причины кардинальных различий в эволюции Земли и ее соседки.
Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН определили, при каких условиях квазиклассические модели водородной плазмы начинают давать нефизичные результаты. Ученые показали, что при достаточно сильном взаимодействии частиц такие модели перестают правильно учитывать квантовые эффекты, связанные с принципом Паули. В результате в расчетах возникают нефизичные электрон-ионные кластеры, а моделируемая система теряет устойчивость.
Госдолг США достиг 40 триллионов долларов и растет все быстрее и быстрее. На Западе переполох: при таких размерах его не выплатить. Следовательно, полагают многие, надо решить проблему как древние шумеры — долг обнулить и начать занимать заново. Рецепт кажется здравым, но есть нюансы. Причем поучительнее всего они даже не для Штатов, а, как ни странно, именно для России.
Группа российских исследователей, в которую вошли океанологи Санкт-Петербургского университета, выявила существование ранее неизвестных механизмов распространения «волн Россби». В ходе работы им удалось зафиксировать точки, где перенос энергии прекращается, а траектории движения воды претерпевают изменения. Дополнительно ученые обнаружили асимметрию в динамике волновых процессов, зарождающихся у западных и восточных прибрежных течений.
Международная группа физиков зафиксировала под землей в США аномальный всплеск энергии, похожий на прямое столкновение невидимой частицы темной материи с обычным веществом. Подземные датчики поймали сигнал, который не удалось списать ни на один из известных науке видов радиации или фоновых помех.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно