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 давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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