В Томске создали "самозалечивающиеся" покрытия для термоядерных реакторов

ТОМСК, 24 ноября. /ТАСС/. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новую многослойную архитектуру покрытий для элементов термоядерных реакторов, которая обладает высокой термической стабильностью и способностью "самозалечиваться" при работе в экстремальных условиях. Такая разработка позволит продлить срок службы оборудования реакторов, сообщили ТАСС в Минобрнауки РФ.

Многослойные наноламинатные покрытия широко применяются в ядерной промышленности благодаря высокой прочности, коррозионной стойкости и устойчивости к радиационному воздействию. Однако их эксплуатационные характеристики при одновременном влиянии высоких температур и облучения остаются недостаточными. В связи с этим была предложена новая архитектура многослойного покрытия - функционально-градиентный материал (ФГМ), включающий защитный слой ниобия толщиной около 3 мкм, радиационно-стойкий слой чередующихся наноразмерных мультислоев ниобия и циркония толщиной около 1 мкм, адгезионный слой циркония толщиной около 10 мкм и подложку из сплава циркония с 1% ниобия толщиной 0,7 мм, что обеспечивает необходимую механическую прочность.

"Архитектура ФГМ на основе ниобия и циркония с управляемой градацией слоев - это не просто повторение наноламинатной структуры. Такое целенаправленное чередование материалов обеспечивает не только повышенную термическую устойчивость, но и более эффективное управление эволюцией дефектов за счет их локализации в нужных уровнях. Это позволяет перенаправлять дефекты в активные зоны, где происходит их "самозалечивание". В простых наноламинатах активные зоны могут не совпадать с профилем повреждений, из-за чего эффективность механизмов самовосстановления снижается", - поясняет один из авторов исследования, и.о. руководителя отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев.

Испытания в экстремальных условиях

Испытания новой архитектуры прошли in situ, то есть на реальном оборудовании при температурах до 900 градусов Цельсия. Во время исследования анализировались термическая стабильность и структурные изменения методами рентгеновской дифракции, спектроскопии доплеровского уширения аннигиляционной линии и просвечивающей электронной микроскопии. Данный комплексный подход позволил наблюдать эволюцию дефектов и изменения кристаллической решетки покрытия в реальном времени. Результаты показали, что при нагреве покрытие сохраняет многослойную архитектуру и плотность интерфейсов, а происходящие фазовые переходы остаются обратимыми, что позволяет материалу сохранять свои свойства.

"Комплекс in situ анализа в сочетании с традиционными методами эксперимента позволил нам доказать, что разработанная в ТПУ архитектура покрытий устойчива к термическому воздействию. Благодаря обратимости фазовых трансформаций материал способен выдерживать экстремальные циклы нагрева и охлаждения без существенной деградации. Это критически важно для оценки долговечности покрытия в условиях реальной эксплуатации", - добавил Лаптев.

В научной работе приняли участие ученые отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий и исследовательского ядерного реактора Томского политеха. Исследование выполнено в рамках государственного задания "Наука", а его результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Science (Q1, IF: 3,9).