Такой вывод может быть полезен для некоторых новых, передовых конструкций реакторов, включая реакторы деления с расплавленным солевым охлаждением и новые реакторы для термоядерного синтеза, такие как проект ARC, разрабатываемый компаниями MIT и Commonwealth Fusion Systems.
Об этом открытии, которое стало неожиданностью для ученых-ядерщиков, сообщается в журнале Nature Communications, в статье профессора Массачусетского технологического института (MIT) по ядерной науке и технике Майкла Шорта, аспиранта Вэйюэ Чжоу (Weiyue Zhou) и еще пяти участников Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory).
Шорт рассказал, что на самом деле исследователи искали количественную оценку противоположного эффекта. Первоначально они хотели определить, насколько сильно излучение увеличит скорость коррозии в определенных сплавах никеля и хрома, которые могут быть использованы в качестве облицовки для ядерных топливных сборок.
Проведение экспериментов было затруднено, так как невозможно измерить температуру непосредственно на границе раздела между расплавленной солью, используемой в качестве теплоносителя, и поверхностью металлического сплава. Поэтому необходимо было вычислить условия опосредованно, разместив вокруг материала достаточно датчиков. Однако с самого начала испытания показали признаки обратного эффекта — коррозия, основная причина разрушения материалов в жестких условиях корпуса реактора, казалось бы, не ускорялась, а снижалась при облучении, в данном случае при высоком потоке протонов.
«Мы повторяли это десятки раз, с разными условиями, — говорит Шорт, — и каждый раз получали одни и те же результаты», наблюдая замедленную коррозию.
Вид реакторной среды, который команда имитировала в своих экспериментах, предполагает использование расплавленного натрия, лития и калийной соли в качестве теплоносителя как для ядерных топливных стержней в реакторе на делении, так и для вакуумного корпуса, окружающего сверхгорячую, вихревую плазму в реакторе на термоядерном синтезе. Там, где горячая расплавленная соль соприкасается с металлом, коррозия происходит быстро, но с никель-хромовыми сплавами ученые обнаружили, что коррозия развивалась в два раза дольше, чем при облучении материала протонным ускорителем, создавая радиационную среду, аналогичную той, которая будет обнаружена в предлагаемых реакторах.
Способность более точно предсказать срок службы критических компонентов реактора могла бы уменьшить необходимость в упреждающей, ранней замене деталей, говорит Шорт.
Тщательный анализ изображений поверхностей пораженного сплава с помощью просвечивающей электронной микроскопии после облучения металла с расплавленной солью при 650 градусах Цельсия (типичная рабочая температура для соли в таких реакторах) помог выявить механизм, вызывающий неожиданный эффект. Излучение имеет тенденцию создавать более мелкие дефекты в структуре сплава, и эти дефекты позволяют атомам металла легче диффундировать, вливаясь в них для быстрого заполнения пустот, образующихся при контакте с коррозионной солью. По сути, радиационное повреждение способствует своеобразному механизму самозаживления внутри металла.
Предпосылки такого эффекта появились еще полвека назад, когда эксперименты с ранним экспериментальным реактором деления с солевым охлаждением показали более низкую, чем ожидалось, коррозию в его материалах, но причины этого оставались загадкой до проведения новой работы, говорит Шорт. Даже после первых экспериментальных находок команды, говорит Шорт: «Нам понадобилось гораздо больше времени, чтобы разобраться в этом».
Это открытие могло бы способствовать созданию целого ряда новых конструкций реакторов, которые могли бы быть более безопасными и эффективными, чем существующие сейчас, говорит Шорт. Было предложено несколько проектов для реакторов на деление с солевым охлаждением, в том числе один проект предложен группой под руководством Чарльза Форсберга, главного научного сотрудника отдела ядерных наук и инженерии Массачусетского технологического института (MIT). Полученные результаты могут быть также полезны для нескольких предложенных проектов новых типов термоядерных реакторов, активно реализуемых стартап-компаниями, которые обладают потенциалом для обеспечения электроэнергией без выбросов парниковых газов и с гораздо меньшим количеством радиоактивных отходов.
«Это не относится ни к одному проекту», — говорит Шорт. «Это помогает всем».
В группу исследователей входили К. Уоллер, П. Стахле и Г. К. Чжэн из Массачусетского технологического института, а также И. Ян и А. М. Минор из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Работа проводилась при поддержке Трансатомной энергетической корпорации и Министерства энергетики США.