Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» разработали революционный трехслойный материал «сталь-ванадий-сталь». Эта уникальная композиция демонстрирует выдающуюся стойкость к экстремальным условиям: температурам до +700°С, интенсивному радиационному облучению, механическим нагрузкам и химической агрессии, открывая путь к применению в оболочках стержней атомных реакторов.
Ключевой элемент реакторов нового поколения
Стержни являются центральным узлом управления ядерной реакцией, непосредственно контактируя с топливом. Особенно критичны нагрузки в реакторах на быстрых нейтронах, где они обеспечивают возможность повторного использования отработанного урана.
Экстремальные вызовы для материалов
Оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) в таких реакторах работают при температурах до 550-700°С под воздействием жидкометаллического теплоносителя (натрия). Эти условия создают беспрецедентные нагрузки, превышающие возможности материалов, используемых в существующих реакторах. Для замыкания ядерного топливного цикла требуются материалы, способные обеспечить глубокое выгорание топлива и выдерживать повреждающие дозы облучения до 180-200 сна, что значительно выше текущих пределов в 100-130 сна.
Инженерное решение: Многослойная защита
Ответом на эти вызовы стал трехслойный композит «сталь-ванадиевый сплав-сталь». Ферритная коррозионностойкая сталь обеспечивает защиту от химического воздействия, а ванадиевый сплав (V-4Ti-4Cr) гарантирует необходимую жаропрочность и радиационную стойкость для противостояния сверхжесткой среде реактора. Основная сложность заключалась в создании монолитного соединения разнородных материалов.
Передовая технология соединения
Проблему надежного соединения удалось решить благодаря применению инновационной деформационно-термической обработки. Технология включает горячую коэкструзию (прессование), радиальную ковку и совместную прокатку трехслойных заготовок. Это формирует прочную «переходную зону» на границе слоев, где материалы взаимно диффундируют, создавая высокопрочное соединение. В результате сталь и ванадиевый сплав образуют единую структуру.
Успешные испытания и перспективы
Научный коллектив успешно создал прототип монолитной трехслойной трубки для оболочки стержня. Лабораторные тесты подтвердили высокую механическую прочность композита при рабочих температурах до 700°С. В ближайших планах команды – проведение долгосрочных исследований радиационной стойкости нового материала, что является важным шагом к его практическому внедрению.
Пресс-служба НИТУ «МИСиС»
Источник: scientificrussia.ru
