Ученые МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН создали теоретическую модель безопасной работы реакторов на быстрых нейтронах. Она описывает поведение внешнего слоя защитной пленки ядерного реактора при различных условиях эксплуатации. Предложенный вариант моделирования позволит сэкономить на экспериментальных испытаниях и математически обосновать безопасные режимы эксплуатации будущих реакторов.
В отличие от классических реакторов, с водой в качестве теплоносителя, реакторам на быстрых нейтронах нужны альтернативные варианты. Один из них – тяжелый жидкометаллический расплав свинец-висмут. Однако, он растворяет стальные элементы реактора при прямом взаимодействии с ними. Чтобы этого избежать, в теплоноситель добавляют небольшое количество кислорода, который создает на поверхности стали защитную пленку. Толщина этого оксидного слоя существенно влияет на коэффициент теплопередачи: чем он больше, тем легче тепло передается от источника к нагреваемому элементу. То есть, слишком толстая оксидная пленка может привести к перегреву активной зоны.
«Разработанная модель в рамках совместного проекта МФТИ и ОИВТ РАН позволила нам последовательно и согласованно объяснить коррозионные эксперименты, в которых наблюдалось частичное либо полное растворение внешнего слоя оксидной пленки, причём без привлечения дополнительных явлений, таких, как эрозионное утонение оксидного слоя в потоке теплоносителя. Этот результат позволяет сделать еще один шаг в сторону устранения пробелов в понимании процессов в тяжелом жидкометаллическом теплоносителе», — рассказывает начальник группы отдела разработки блока реакторной установки большой мощности АО «НИКИЭТ», научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН Владислав Николаев.
Теоретическая модель вариантов безопасной эксплуатации ядерного реактора на быстрых нейтронах позволит существенно ускорить и удешевить процесс экспериментальных исследований конструкций перед их запуском. Как правило, на это требуется сотни тысяч часов и тесты на масштабных коррозионных стендах.
«По сравнению с мировыми аналогами, разработанная нами модель не требует предварительной оптимизации по данным коррозионных экспериментов. Напротив, на основании известных термодинамических данных и данных о коэффициентах массопереноса в теплоносителе она позволяет предсказывать, что будет происходить с внешним слоем оксидной пленки в конкретных условиях коррозионных испытаний», — объясняет научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ, научный сотрудник ОИВТ РАН Даниил Колотинский.
Далее исследователи планируют обобщить модель на случай неоднородных оксидных пленок и локальных видов коррозионных процессов. Это позволит существенно расширить границы применимости модели и еще больше приблизить её к реальным условиям эксплуатации конструкционных материалов в реакторах на быстрых нейтронах.
Изображение: sakkmesterke / ru.123rf.com