Combustible tolerante: los físicos descubren un método capaz de aumentar la seguridad de los reactores nucleares

Así, decidieron fabricar las capas cubiertas con una sustancia que contiene cromo con el fin de probarlas en el reactor MIR. Según los datos del Organismo Internacional de la Energía Atómica (OIEA), a principios de 2018, 448 reactores nucleares funcionaban en el mundo y más de 50 reactores estaban en proceso de construcción. Uno de los tipos de reactores más utilizados en las centrales nucleares a nivel mundial son los de agua a presión (PWR, por sus siglas en inglés).

Los elementos termógenos de tales reactores se fabrican, en su mayoría, de aleaciones de zirconio que funcionan con éxito cuando la temperatura es inferior a 350°С. Si la temperatura de la capa sube a 800-900°С, por ejemplo, en caso de que se interrumpa la refrigeración del reactor debido a una avería, se produce una reacción del zirconio en contacto con vapor de agua, lo que da lugar a un desprendimiento de hidrógeno susceptible de inflamarse.

"Para evitar la reacción del zirconio en contacto con vapor de agua, los científicos proponen recubrir la superficie de elementos termógenos con materiales que protegen al zirconio del contacto con vapor de agua, en particular con el cromo. Así las cosas, resolvimos la tarea de elegir la composición de la capa protectora y cubrir con esta sustancia que contiene el cromo fragmentos de los elementos termógenos de hasta 500 mm de longitud. Como resultado, la reacción de oxidación del zirconio en contacto con el vapor de agua con una temperatura de 1200°С se ralentizó", señala el jefe del Departamento de problemas físicos de la ciencia de los materiales de la MEPhI, profesor titular Borís Kalin.

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Según el físico, el método de tratamiento de elementos termógenos con haces de iones prevé que la superficie del elemento se pula o se grabe con iones de argón para eliminar las asperezas. Posteriormente, conservando el vacío en las cámaras del equipo, las aleaciones instaladas como electrodos en los magnetrones —dispositivos que forman una carga especial de plasma en la superficie del electrodo para la pulverización con iones de plasma de este electrodo— se pulverizan por capas sobre la superficie de los elementos en forma de capa —de hasta 10 micrómetros de espesor—.

Tras la finalización del ciclo de procesamiento, en la MEPhI se llevó a cabo un análisis de la composición, la estructura y el espesor de las capas con un microscopio electrónico y un microscopio de iones. Los científicos ensayaron asimismo la resistencia de las capas —a la fricción contra elementos de zirconio—, su oxidación en el agua —con una temperatura de 350°С, la presión del agua de 160 atm durante 72 horas— y en el vapor —con una temperatura de 1200°С—.

"Repitiendo periódicamente el experimento, cambiando la composición de electrodos en los magnetrones y regímenes del tratamiento, analizando los resultados de los experimentos, hemos elegido la composición más apropiada de las capas y hemos podido prevenir la oxidación de la superficie de elementos de zirconio con una temperatura de 1200°С durante 400 segundos", destaca Borís Kalin.

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Los resultados de esta investigación se presentaron en la XVI Escuela-Conferencia Internacional 'Nuevos materiales: combustible nuclear tolerante' que se celebró en la MEPhI por iniciativa de la escuela científica y el laboratorio del tratamiento de materiales con haces de iones del Departamento de problemas físicos de la ciencia de los materiales.