Ученые выяснили, какие дефекты теплообменника ядерного реактора являются критическими

17:45, 7 мая 2024

Исследования провели российские и китайские специалисты

Исследования проводили для расплавов Pb и Pb55Bi. Фото: unsplash.com / Rick Rothenberg.

Ученые УрФУ и Северо-Китайского университета водных ресурсов и гидроэнергетики (Чжэнчжоу) выяснили, какие дефекты поверхности теплообменника ядерного реактора являются критическими для жидкометаллического охрупчивания. Исследователи провели компьютерное моделирование процесса взаимодействия жидкометаллического теплоносителя (расплавы Pb и Pb55Bi) со стальным теплообменником в устройстве охлаждения атомного реактора. Результаты специалисты представили на конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах» и в научной статье в Colloid Journal.

«Работа выполнялась совместно с профессором кафедры энергетики и технической теплофизики Северо-Китайского университета водных ресурсов и электроэнергетики Ванг Вейшу. Ранее опытным путем научная группа Ванг Вейшу установила, что жидкий металл (Pb55Bi) проникает в сталь 316L при температуре 823 Кельвинов в течение 1000 ч на глубину 94 мкм. Затем, так как проведение натурного эксперимента крайне затруднительно, мы оценили возможность разрушения жидкометаллического теплообменника теоретически, с помощью компьютерного моделирования. Выяснили, что дефект поверхности теплообменника из стали в виде риски глубиной 0,15 мм может быть причиной выхода из строя устройств охлаждения атомного реактора из-за эффекта жидкометаллического охрупчивания. Полученные нами данные будут полезны при проектировании систем охлаждения ядерного реактора с жидкометаллическим теплоносителем», — объясняет соавтор исследования, профессор кафедры физики УрФУ Ольга Чикова.

Отметим, жидкие металлы используются в атомной энергетике в качестве теплоносителей. Однако они могут взаимодействовать с материалом теплообменника, вызывая его коррозию и жидкометаллическое охрупчивание. Механизм жидкометаллического охрупчивания основан на уменьшении сцепления атомов твердого тела за счет адсорбции жидкого металла на поверхности трещины (эффект Ребиндера). Уменьшение поверхностной энергии границы «твердое тело — жидкий металл», вызванное адсорбцией, приводит к уменьшению критического напряжения, необходимого для распространения трещины. Жидкий металл проникает в сталь благодаря капиллярному эффекту. Как правило, трещины зарождаются на дефектах поверхности теплообменника и распространяются по границам зерен благодаря их смачиванию жидким металлом. Важно установить, какой дефект поверхности теплообменника (например, в виде риски определенной глубины), может быть причиной выхода из строя устройств охлаждения атомного реактора из-за эффекта жидкометаллического охрупчивания.

Справка

В 2023 году на заседании Сетевого университета БРИКС образовательный проект «Уральский институт», который реализуют Уральский федеральный университет и Северо-Китайский университет водных ресурсов и гидроэнергетики, был признан лучшим транснациональным образовательным проектом. Министерство образования Китайской Народной Республики поставило задачу расширения проекта в сторону совместных научных исследований. В связи с этим была создана научная группа, которая провела исследования по моделированию взаимодействия жидких металлов с реакторной сталью.

Алёна Неволина