Учените от Националния изследователски ядрен университет (НИЯУ) МИФИ (Московски инженерно-физически институт) изучиха възможността за използване на изотопомодифицирован молибден като алтернатива на сплави на цирконий, от които се произвеждат топлоотделящи елементи (ТОЕ или ТВЕЛ), и доказаха, че по този начин може да се подобри безопасността на ядрените реактори.

Резултатите от изследването са публикувани в списание «Химически инженерни изследвания и дизайн» (Chemical Engineering Research and Design).

Ядреното гориво коренно се различава от другите види на гориво, използвани от човечеството, поради изключителната опасност и сложност при използване. То се използва в ядрените реактори във вид таблетки от уранов двуокис (UO2) с размер от няколко сантиметра, които се поставят в херметически затворени топлоотделящи елементи (ТОЕ). Към обвивката (тръбите) на ТОЕ се прилагат специални изисквания: те трябва да имат добра корозионна, ерозионна и термична устойчивост, а също така да не влияят на характера на поглъщане на неутроните в реактора.

Днес основният материал за тръбите на ТОЕ в повечето комерчески атомни електроцентрали в Русия са циркониевите сплави.

Това се дължи на тяхната добра корозионна устойчивост на вода и с ниско сечение на улавяне на топлинни неутрони (има се предвид свойството на материала, което характеризира вероятността за взаимодействие на елементарната частица (неутрона) с атомното ядро). Колкото по-ниско е сечение на улавянето, толкова по-малка е вероятността неутроните да повлияят на характеристиките на материала, от който е направен ТОЕ. Но както се оказва, циркониевите сплави имат и значителни недостатъци.

Например, тези сплави активно реагират на вода и генерират топлина, отделяйки водород и ускоряват деградирането на покритието на горивните пръти. Това се получава в резултат на пароциркониевата реакция при температура над 700 ° С, което е изключително опасно при аварии на АЕЦ с водно охлаждане.

Точно този фактор беше обявен за основна причина за експлозиите на японската АЕЦ "Фукушима". Затова учените доста отдавна обсъждат възможността за замяна на циркониевите сплави с трудно топимия метал молибден. Както и циркония, той има добра корозионна устойчивост, като същевременно притежава топлопроводимост, която е по-висока от тази на циркония.

Използването на молибден се съпътства също така и от определени трудности. Например, това налага необходимостта да се увеличи степента на обогатяване на урана, което води до значително поскъпване на процеса на производство. Този проблем може да бъде решен като се измени естествения състав на изотопите на молибдена през каскада от газови центрофуги, а именно, чрез премахването на 7 други изотопи и оставяйки само единият тежкият изотоп (Mo 100), сечението на улавяне на неутрони, при който практически съвпада със сечение на улавяне на цирконий.

С помощта на центробежната технология за разделяне на изотопи, може също да бъде модифицирана смес от изотопите на молибден по такъв начин, че нейното сечение за улавяне в съвкупност ще бъде близо, или дори по-малко от това на циркония.

"Проведеното изследване позволи да се получи цялата необходима информация за проектиране на разделителна инсталация за производството на изотопомодифицирован молибден в големи мащаби, на основата на съществуващата в Русия технология за разделяне на неуранови изотопи в газови центрофуги," - констатира професор от катедрата по молекулярна физика, на НИЯУ МИФИ Валентин Борисевич.

Учените са сравнили ефикасността на няколко каскадни схеми за разделяне на изотопите на молибден с различни изисквания към сечението за улавяне на неутроните в получавания продукт. Изследването е направено с помощта на Руският фонд за фундаментални изследвания в рамките на сътрудничество на НИЯУ МИФИ с Инженерно-физическия факултет на Университета Цинхуа (Пекин, Китай).

Резултатите са показали, че най-ефективната схема за разделяне може да бъде реализирана или с помощта на единичен правоъгълно-секционен каскад (ПСК) или двоен ПСК – това зависи от зададеното значение за сечение на улавяне на неутроните в получения изотопомодифицирован молибден.