Материаловеды НИТУ «МИСИС» создали уникальный трёхслойный материал «сталь-ванадий-сталь», который способен долго выдерживать температуры до +700°С, жёсткое радиационное облучение, механические напряжения и химическое воздействие и может применяться в оболочках стержней атомных реакторов.
Стержни относятся к ключевым функциональным узлам атомного реактора. Они входят в контакт с урановым топливом и управляют интенсивностью течения ядерной реакции. Главная проблема атомного реактора на быстрых нейтронах нового поколения, позволяющего повторно использовать отработанный уран, заключается в серьёзных нагрузках, которым подвергаются эти стержни.
Для замыкания ядерного топливного цикла в реакторе на быстрых нейтронах нового поколения необходимы новые конструкционные материалы, способные обеспечивать более высокое выгорание топлива, по сравнению с достигнутым в настоящее время. Эти материалы должны выдерживать повреждающие дозы облучения до 180-200 сна (смещений на атом), вместо максимальных 100-130 сна для существующих материалов.
Так, перед исследователями встала задача создать материал, способный в течение длительного периода выдерживать одновременное воздействие нескольких факторов сверхагрессивной внешней среды.
— Наш коллектив разработал трехслойный материал „сталь-ванадиевый сплав-сталь“, представляющий собой „сэндвич“. Ферритная коррозионностойкая сталь в нём обеспечивает коррозионную стойкость, а ванадиевый сплав (V-4Ti-4Cr) — жаропрочность и радиационную стойкость, достаточные, чтобы противостоять воздействию сверхжёстких сред атомного реактора, — рассказала соавтор исследования, аспирант кафедры металловедения и физики прочности НИТУ «МИСиС» Александра Баранова.
По её словам, создать подобный композит — задача сама по себе непростая, поскольку два материала должны быть максимально монолитны в местах соединения.
— Решить проблему удалось применением сложной деформационно-термической обработки трёхслойных заготовок, включающей горячую коэкструзию (прессование), радиальную ковку и совместную прокатку. В результате происходит формирование „переходной зоны“ на границе материалов-компонентов, в которой материалы диффундируют один в другой, что обеспечивает высокую прочность их соединения, — добавила Александра Баранова.
Как сообщили учёные, в результате применения технологии сталь и ванадиевый сплав «прорастают» друг в друга. Научному коллективу удалось создать прототип оболочки стержня, который представляет собой монолитную трёхслойную трубку.
Лабораторные испытания показали высокую механическую прочность полученного композита при рабочих температурах до 700°С. В ближайшее время разработчики планируют приступить к долгосрочным исследованиям трёхслойного материала на радиационную стойкость.