Нанотехнологии в атомной энергетике

Нанотехнологии для атомной отрасли начали применяться в бывшем СССР уже в 70-80 годы XX столетия [44]. Ученые в то время еще не использовали приставку «нано», хотя разработанные материалы были основаны на качественно изменении свойств при переходе к нанометровому размеру. Можно выделить ряд наиболее важных достижений в этом направлении.

Высокоплотное ядерное топливо с нанодобавками. Одним из условий повышения эффективности работы АЭС является увеличение глубины выгорания ядерного топлива. Опыт показывает, что одним из условий обеспечения глубоких выгораний топлива является создание крупнокристалличских структур ядерного топлива с контролируемой пористостью. Крупнокристалличские структуры ядерного топлива удерживают газообразные и летучие продукты деления, препятствуют транспорту осколков деления по границам зерен, в результате чего существенно снижается повреждаемость оболочки тепловыделяющего элемента. Для достижения крупнокристаллического состояния при прессовании топливной керамики (UO₂, (U, Pu)O₂, (U, Pu)N) в нее добавляют ультрадисперсный порошок UO₂ с размерами нанокристаллитов ~40 нм [44]. В результате снижается температура спекания топливной керамики, повышается плотность и увеличивается размер зерна (рис. 23)

а)	б)

Рис. 23. Стандартная микроструктура (а) и микроструктура ядерного топлива, полученная с использованием нанодобавок (б) [44].

Активация процессов спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологии новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов ядерного топлива для инновационных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Нанодисперсные ДУО-стали. Увеличение эффективности работы и срока службы перспективных реакторов на быстрых нейтронах требует, прежде всего, повышения степени выгорания топлива до 18-20% без снижения параметров теплоносителя. Это в свою очередь предъявляет повышенные требования к материалам оболочек тепловыделяющих элементов, которые должны удовлетворять следующим характеристикам [44,47]:

- иметь высокий предел прочности и низкую ползучесть при температурах до 700ºС;

- обладать высоким сопротивлением коррозии по отношению к теплоносителям при повышенных температурах и химическую совместимость с топливом;

- обладать высокой радиационной стойкостью к нейтронному облучению.

Один из путей решения данной проблемы – это упрочнение нового класса ферритно-мартенситных сталей частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-стали). Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих развитую инфраструктуру атомной энергетики (Россия, США, Япония, Китай, Франция и др.).

В России разработан ряд ДУО ферритно-мартенситных сталей для ядерных реакторов на быстрых нейтронах, в том числе и на основе стали ЭП-450 (Fe-13Cr-2Mo-Nb-V-B-O,12C), которая используется в качестве штатного материала тепловыделяющих сборок реактора БН-600 [44-46]. Некоторые результаты высокотемпературных испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО

Сталь ЭП-450 ДУО содержит до 0,5% мас. оксида иттрия, расположенного внутри зерен в виде частиц с размерами 5-10 нм. Термическая ползучесть стали ЭП-450 ДУО при температурах 650-700ºС значительно ниже по сравнению с обычной сталью (рис. 2) [45,46]. Наилучшие характеристики по сопротивлению ползучести достигаются при образовании максимального количества равномерно распределенных нанокластеров размером 1-2 нм. Опытные трубные заготовки из стали ЭП-450 ДУО показали увеличение до 10 раз временных характеристик жаропрочности и высокую радиационную стойкость.

Рис. 24. Наноструктурированные дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) стали [46].

В Японии проведены предварительные исследования жаропрочных свойств и радиационной стойкости высокохромистых ДУО-сталей с содержанием 0,37% мас. нанооксидных частиц V₂O₃ с размерами ~5 нм [47]. Некоторые результаты исследований показаны на рис. 25.

Рис. 25. Зависимость предела прочности при растяжении от температуры ДУО-сталей и обычной стали [47].

Видно, что предел прочности ДУО-сталей при 700ºС более чем в два раза выше стали с обычной структурой, а предел длительной прочности при 700ºС за 10000 часов составляет 120 МПа. Исследования радиационного воздействия не показали проявления охрупчивания у ДУО-сталей после облучения (рис. 26).

Рис. 26. Влияние радиационного облучения на кривые растяжения ДУО-сталей и обычных сталей [47].

Впечатляющие характеристики ДУО-сталей как по механическим свойствам, так и по радиационной стойкости, заставляют исследователей задумываться об использовании подобных сталей в термоядерной энергетике в качестве материала первой стенки и бланкета термоядерного реактора [48]. Микроструктурные исследования [45] ДУО-сталей после радиационного воздействия показали, что облучение приводит к гетерогенному распределению дислокационных петель и повышению их плотности. С увеличением дозы облучения уменьшаются плотность и размер оксидных включений, увеличивается их растворимость в матрице.

Предполагается, что основные механизмы влияния нанооксидных частиц на свойства ДУО-сталей проявляются в следующем:

- нанооксидные частицы способствуют более однородному формированию и равномерному распределению Cr₂O₃ в сталях, что увеличивает их коррозионную стойкость;

- подавляют фазовый распад, что тормозит эффекты охрупчивания в результате старения;

- затормаживают движение дислокаций, что приводит к упрочнению ДУО-сталей.
В результате увеличивается сопротивление коррозии, повышаются высокотемпературная прочность и радиационная стойкость сталей.

У некоторых материалов реакторного назначения обнаружен новый эффект – формирование после облучения упорядоченной наноструктуры из новых фаз с периодом в несколько нанометров [44]. В результате, в отличие от обычной деградации свойств конструкционных материалов, связанной с появлением хрупкости при радиационном воздействии, облучение этих сплавов приводит к увеличению характеристик прочности при сохранении вязкости при высокодозном облучении. Сплавы подобного класса уже используются для особо ответственных элементов ядерных реакторов.

Обнаруженное явление может явиться началом развития нового направления радиационного материаловедения – создание конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиационного воздействия.

Наномембраны, нанофильтры. Металлические объемные нанофильтры перспективны для использования в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС. Наномембраны, нанофильтры, нанокатализаторы используются в технологиях обращения с ОЯТ и РАО, в системах водоподготовки и очистки теплоносителей, дожигания радиолитического водорода и др. целей. Опытно-промышленные установки с использованием нанофильтрации используются в России для дожигания водорода в системах водородной безопасности АЭС, для переработки жидких радиоактивных отходов, очистки газов от радиоактивных аэрозолей, тонкой очистки воздуха и технологических газов [44-46].

Наноструктурные сверхпроводники. Разработка сверхпроводящих материалов является, по-видимому, единственным примером разработки, изначальной целью которой явилось получение объемных наноструктурированных материалов. В результате перехода к нанометрическим структурам удалось в несколько раз увеличить токонесущую способность сверхпроводников, что позволило создать мощные магнитные системы и экономить при этом до 30% электроэнергии. Мощные магнитные поля, удерживающие плазму в термоядерных реакторах, создаются сверхпроводящими системами. Примеры структур сверхпроводящих нанокомпозитов показаны на рис. 27. Ставится задача по разработке сверхпроводящего наноструктурированного кабеля нового поколения, работающего в области азотных температур.

а)

б)

Рис. 27. Сверхпроводящие наноструктурированные материалы для термоядерной энергетики [44].

а) Nb-Ti сверхпроводник. Диаметр провода 0,85 мм, размер выделений титана в волокнах 10-50 нм; б) Nb₃Sn сверхпроводник. Комплекс свойств достигается при размере кристаллитов 20-30 нм.

Следует отметить, что переход к наноструктурному состоянию позволяет получить сверхпрочные и высокопроводящие материалы, способные работать в экстремальных условиях (сильные импульсные магнитные поля, высокие механические нагрузки и пр.). Так, нанокомпозиционные проводники на основе сплавов Cr-Nb имеют прочность стали при электропроводности, близкой к меди.