Разработка научно-технических основ формирования покрытий хрома на циркониевом сплаве Э110, включая сварные соединения, для изготовления устойчивых к аварийным ситуациям компонентов активной зоны ядерных реакторов

Работы по созданию научных основ технологии нанесения покрытий из хрома на циркониевый сплав Э110 имеют большой фундаментальный и практический интерес. В настоящее время проводится большое число исследований по поиску оптимального материаловедческого решения для предотвращения пароциркониевой реакции в случае потери теплоносителя при работе водо-водяных энергетических реакторов. Тем не менее, до сих пор не создана промышленная технология осаждения хромовых покрытий как в России, так и за рубежом. Научным коллективом Проекта в первые 3 года было показано, что формирование хромовых покрытий на поверхности оболочек из сплава Э110 (в том числе и на сварных соединениях, полученных контактной стыковой и лазерно-лучевой сваркой), с применением мультикатодного магнетронного распыления в определённых режимах работы позволяют практически полностью предотвратить окисление оболочек в нормальных условиях эксплуатации ядерного топлива и значительно замедлить окисление оболочки при высоких температурах в потоке перегретого водяного пара (т.е. при условиях, моделирующих аварию на реакторе, отдалить момент начала окисления Zr сплава при температуре 1200 ℃ на 7200 секунд). К настоящему моменту научным коллективом Проекта были получены образцы Zr сплава с Cr покрытиями, обеспечивающие наиболее длительную защиту от окисления в условиях нормальной и аварийной эксплуатации в сравнении с результатами основных научных и технологических конкурентов (научный коллектив под руководством J.-C. Brachet из CEA (Франция) [1], описаны закономерности поведения Cr-Zr системы при окислении в зависимости от режимов нанесения покрытий, представлены данные о поведении сварных соединений с Cr покрытиями при высокотемпературном окислении. Однако, в ходе выполнения научного Проекта в 2019-2022 годы была выявлена существенная роль Cr-Zr диффузии и последующего растворения Cr в Zr сплаве на механизм и кинетику окисления циркониевых оболочек с Cr покрытиями. Учитывая, что хромовое покрытие может иметь только ограниченную толщину (не более 15-20 мкм) ввиду изменения общего сечения тепловых нейтронов Zr оболочки с Cr покрытием, крайне важным становиться определить: - закономерности высокотемпературной Cr-Zr диффузии; - условия ионно-плазменной обработки оболочки и осаждения Cr покрытий, когда кинетика диффузионных процессов будет наименьшей. Полученные данные и изученные подходы будут необходимы не только для понимания диффузионных процессов для системы Cr-Zr, они также могут быть использованы для управления кинетикой диффузии в двухфазных системах для технологий осаждения многослойных покрытий в микроэлектронике, оптике и др. отраслях. Новизна предлагаемой задачи состоит в том, что будут рассмотрены условия формирования покрытий и ионно-плазменной обработки модифицируемых изделий с целью управления кинетикой диффузии двухфазной системы за счёт модификации структурных параметров системы и без добавления дополнительных материалов (барьерных слоёв). Указанная выше проблема является одной из важнейших фундаментальной и практической задачей для разработки топливных оболочек на основе циркониевых сплавов с защитными хромовыми покрытиями. Она имеет несомненный практический интерес для предприятий ГК «Росатом» (АО «ЧМЗ» и ПАО «НЗХК») для создания и совершенствования технологии магнетронного осаждения хромовых покрытий на поверхность циркониевых оболочек ТВЭЛов. 1. E.B. Kashkarov, D.V. Sidelev, N.S. Pushilina, J. Yang, C. Tang, M. Steinbrueck, Influence of coating parameters on oxidation behavior of Cr-coated zirconium alloy for accident tolerant fuel claddings, Corrosion Science, Volume 203, 2022, 110359, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110359.