Des physiciens de l'Université polytechnique de Tomsk créent des revêtements protecteurs à base de nitrure de titane pour les coques des éléments combustibles (barres de combustible) des réacteurs nucléaires. De tels obus peuvent réduire considérablement l'hydrogénation des conteneurs contenant du combustible nucléaire, prolonger leur durée de vie et prévenir les explosions de réacteurs telles que la catastrophe de Fukushima.

« Dans les réacteurs, le combustible nucléaire est placé dans des « tubes » spéciaux en alliages de zirconium, formant des crayons combustibles. Dans les crayons combustibles, une réaction nucléaire a lieu. Suite à la radiolyse de l'eau de refroidissement, et aussi en raison de l'interaction de l'eau et du zirconium à haute température, de l'hydrogène est libéré. L'hydrogène est capable de s'accumuler dans les enveloppes des crayons combustibles provoquant une dégradation de leurs propriétés mécaniques et une éventuelle destruction, " dit l'un des développeurs, un assistant au département de physique générale Egor Kashkarov.

Selon le jeune scientifique, le danger présenté par l'interaction du zirconium et de l'eau est que plus la température du réacteur est élevée, plus il y a d'hydrogène libéré. Par exemple, à la station Fukushima-1 au Japon, l'inondation des équipements de pompage dans la zone active a provoqué un échauffement du réacteur sur 1, 200°C, et une réaction vapeur-zirconium s'est déroulée rapidement, libérant une grande quantité d'hydrogène. L'explosion de l'hydrogène accumulé a entraîné l'un des plus grands accidents radiologiques au monde.

L'équipe scientifique du département de physique générale du TPU crée des revêtements protecteurs à base de nitrure de titane pour protéger les barres de combustible en zirconium de l'accumulation d'eau et d'hydrogène. « Lors des tests, le nitrure de titane a fait ses preuves avec une dureté élevée, résistance à l'usure, résistance à la chaleur et inertie. Nous avons également constaté qu'il protège bien de la pénétration de l'hydrogène dans le matériau, ce qui est essentiel pour l'énergie nucléaire. Les revêtements peuvent réduire la pénétration d'hydrogène dans l'alliage de zirconium, " dit Egor Kashkarov.

Les revêtements sur le substrat de zirconium sont appliqués à l'aide de deux technologies :la pulvérisation magnétron et le dépôt à l'arc sous vide. Les deux processus sont effectués sur une configuration créée à l'université. Le résultat est un revêtement en film mince—pas plus de deux microns d'épaisseur.

"L'une des applications de l'élaboration des revêtements de nitrure de titane concerne les réacteurs de nouvelle génération et les réacteurs nucléaires thermiques où les revêtements imperméables à l'hydrogène sont un problème urgent. Dans ces futurs réacteurs, les températures sont censées augmenter jusqu'à 400-450 °C pour améliorer l'efficacité de combustion du carburant. Par conséquent, l'hydrogénation des crayons combustibles sera ici beaucoup plus rapide. Nos revêtements sont capables de l'empêcher, ", explique le développeur.