Исследование фундаментальных аспектов коррозионного поведения циркониевых сплавов с защитными хромосодержащими покрытиями при высокотемпературном окислении

В настоящее время активно ведется поиск перспективных материалов-кандидатов для разработки толерантного топлива ядерных водо-энергетических реакторов, обеспечивающего безопасную работу как в штатных условиях эксплуатации (360 °С, 18,6 МПа), так и в случае аварий с потерей теплоносителя (1200 °С в потоке водяного пара). Ключевой проблемой является подбор оптимальных фазового и элементного составов, а также структуры защитных покрытий, осаждаемых на циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Воздействие водяных паров на циркониевые сплавы при высокой температуре (выше 860 °С) сопровождается образованием хрупких оксидов циркония, что может привести к разрушению ТВЭЛа. Результаты последних исследований отечественных (Новиков В.В. и др.) и зарубежных научных коллективов (Brachet J.-C. и др.), научно-исследовательских организаций, специализирующихся в области ядерного материаловедения (АО “ВНИИНМ им. А.А. Бочвара” (Россия), CEA (Франция), MIT (США) и др.), включая работы с непосредственным участием заявителя Проекта, показали, что хром является наиболее подходящим кандидатом, удовлетворяющим требованиям, предъявляемым к защитным материалам циркониевых оболочек. Однако, наблюдается значительное повышение кинетики взаимной диффузии хрома и циркония, особенно для β фазы Zr, при высоких температурах. Это приводит к образованию интерметаллического соединения Cr2Zr на границе «Cr покрытие – Zr подложка», а также к формированию ZrO2 на границах зерен хрома, что вызывает значительное усиление диффузии кислорода в циркониевый сплав. В результате этого возникает риск растрескивания защитного покрытия и как следствие беспрепятственного проникновения кислорода в циркониевый сплав. Настояний Проект направлен на разработку новой структуры защитного покрытия циркониевых оболочек ТВЭЛов, состоящей из основного защитного слоя хрома и дополнительного металлического подслоя (Ta или Mo), препятствующего взаимной диффузии хрома и циркония. Выбор подслоев обусловлен низкой скоростью диффузии в Cr и Zr, включая высокие температуры, низкой растворимостью в β-Zr, хорошей адгезионной прочностью, а также близкими с хромом и цирконием значениями коэффициентов термического расширения при высоких температурах. В ходе реализации Проекта будут установлены закономерности и выявлены механизмы окисления хромовых покрытий с подслоем из молибдена или тантала, осажденных на отечественных циркониевых сплавах (Э110) на воздухе и в потоке водяного пара. Также будут выбраны оптимальные параметры нанесения хромовых покрытий с подслоями. Значимость ожидаемых результатов выполнения Проекта обуславливается повышением надёжности работы и увеличением эксплуатационного ресурса элементов активной зоны реакторов водо-водяного типа, а именно тепловыделяющих элементов, обладающих повышенной стойкостью к высокотемпературному окислению.