Ученым из МФТИ и ОИВТ РАН удалось построить теоретическую модель для описания процесса роста оксидной пленки на поверхности стали в контакте с тяжелым жидкометаллическим расплавом свинец-висмут — теплоносителем, который может использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах. Оксидная пленка — результат коррозии, но ее образование защищает от очень быстрой (жидкометаллической и межкристаллитной) коррозии. Понимание процесса коррозии стали в контакте с теплоносителем необходимо для обоснования безопасности эксплуатации подобных реакторов.

Результаты работы опубликованы в журнале Corrosion Science.

Теплоноситель выполняет очень важную роль в работе атомного реактора — жидкое или газообразное вещество пропускается через активную зону и выводит тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер. Расплав свинец-висмут является одним из нескольких потенциальных теплоносителей, которые могут использоваться в реакторах нового поколения на быстрых нейтронах Росатома. Сама идея создания ядерного реактора на быстрых нейтронах зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. В отличие от «классических» ядерных реакторов, которые работают на тепловых нейтронах, реакторы на быстрых нейтронах позволяют замкнуть ядерный топливный цикл, что делает их использование намного более эффективным.

В качестве теплоносителя в «классических» реакторах используется вода, однако для реакторов на быстрых нейтронах это невозможно. Таким образом, одними из основных кандидатов на роль теплоносителя являются жидкий свинец и эвтектический расплав свинца с висмутом. Так, в строящемся под Томском российском реакторе БРЕСТ-ОД-300 в качестве теплоносителя будет использоваться жидкий свинец, а в рамках бельгийского проекта MYRRHA разрабатывается ядерный реактор на основе свинцово-висмутового теплоносителя.

Но жидкий свинец и расплав свинец-висмут являются активными растворителями для основных компонентов стали, из которой изготавливаются конструкционные элементы охлаждающего контура ядерного реактора. Чтобы избежать агрессивного воздействия теплоносителя на сталь, в него добавляют небольшое количество кислорода, который приводит к образованию оксидной пленки на поверхности стали. Такая оксидная пленка препятствует прямому контакту и, следовательно, замедляет деградацию конструкционных материалов.

На сегодняшний день актуальной задачей на стыке физики, химии и компьютерного моделирования является описание процессов, происходящих на микроскопическом уровне и приводящих к росту оксидной пленки на поверхности стали. Понимание этих явлений необходимо для совершенствования технологических процедур и дальнейшего улучшения свойств материалов, используемых в реакторных установках.

Историческая ретроспектива исследований жидкометаллической коррозии / (согласно Google Trends) / ©Пресс-служба МФТИ

«Растворение стали в контакте с теплоносителем особенно опасно на топливных элементах в активной зоне ядерного реактора. При растворении оболочки тепловыделяющего элемента может произойти выход ядерного топлива в теплоноситель. В связи с этим, безусловно, очень важно понимать, насколько эффективна защита формирующейся оксидной пленки», — рассказывает Владислав Николаев, начальник группы отдела разработки блока реакторной установки большой мощности НИКИЭТ, научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.

Для решения этой задачи коллектив ученых разработал теоретическую модель, которая позволяет предсказывать, как будет расти оксидная пленка на поверхности стали в контакте со свинцово-висмутовым теплоносителем при заданных условиях в охлаждающем контуре. В отличие от ранних феноменологических подходов, разработанная модель явным образом учитывает физико-химические процессы, которые обусловливают образование оксидной пленки.

«В разработанную модель мы заложили уравнения переноса и химические реакции, которые описывают транспорт кислорода и железа через оксидную пленку. По доступным в открытых источниках экспериментальным данным нам удалось восстановить физические параметры протекающих процессов. Для проверки предсказательной способности модели мы сравнили зависимость толщины оксидной пленки от времени, которую дает наша модель и экспериментальные данные. Результаты сравнения показали, что разработанная модель может использоваться для предсказания скорости роста оксидной пленки на поверхности стали», — описывает проделанную работу Даниил Колотинский, соавтор работы, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник МФТИ и ОИВТ РАН.

Схематическое изображение основных процессов, входящих в физико-химическую модель жидкометаллической коррозии / ©Corrosion Science

По словам исследователей, в настоящий момент разработанная модель может применяться и описывать рост сплошной и однородной оксидной пленки на поверхности стали.

«Тот факт, что разработанная модель явным образом учитывает кинетику физических процессов, протекающих во время роста оксидной пленки, дает возможность рассчитывать параметры модели с помощью методов атомистического моделирования, реализуя многомасштабный подход», — добавляет руководитель исследования Владимир Стегайлов, руководитель научного исследования, заведующий отделом ОИВТ РАН и лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

В дальнейшем планируется обобщить модель на случай неоднородных оксидных пленок. Этот шаг позволит существенно расширить границы применимости модели и еще сильнее приблизить их к диапазону реальных условий эксплуатации конструкционных материалов.

«Для развития подобных моделей необходимы данные о свойствах материалов, которые возможно получить с помощью микроскопических расчетов из первых принципов. Эти расчеты мы уже проводим на базе ресурсов суперкомпьютерного центра ОИВТ РАН», — отмечает Алексей Тимофеев, заместитель руководителя образовательной программы «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем» ЛФИ МФТИ и заместитель директора ОИВТ РАН.