Este material puede usarse en las capas de barras de combustible de reactores nucleares, comunicó el Servicio de Prensa de la Universidad.

Las barras de combustible son elementos fundamentales del reactor nuclear que entran en contacto con el combustible de uranio y controlan la intensidad de la reacción nuclear. El problema principal del reactor nuclear de neutrones rápidos de nueva generación que hace posible reutilizar el uranio ya usado consiste en cargas serias a que se someten las barras.

Las máximas temperaturas de funcionamiento de las capas de barras de combustible en los reactores de nueva generación ascienden a 550-700°С. Un fluido refrigerante a base de metal líquido —sodio— ejerce la influencia en las barras desde el exterior. Se crean cargas mucho más altas que las que pueden soportar las capas de barras de los reactores existentes.

Para cerrar el ciclo de combustible nuclear en reactores de neutrones rápidos de nueva generación son necesarios nuevos materiales de construcción capaces de garantizar un grado más alto de quema de combustible que el conseguido actualmente. Estos materiales deben soportar dosis de radiación de hasta 180-200 dislocaciones por átomo en vez de las máximas 100-130 dislocaciones por átomo en los materiales existentes.

En tales condiciones, las capas de barras fabricadas de acero no son capaces de funcionar. Ante los físicos se planteó la tarea de crear un material capaz de soportar durante un largo período la influencia simultánea de varios factores superagresivos del medio ambiente.

La barra de un reactor atómico. / © MISIS

“Nuestro equipo desarrolló un material de tres capas ‘acero-aleación de vanadio-acero’, que parece un bocadillo. El acero inoxidable ferrítico garantiza la resistencia a la corrosión y la aleación de vanadio (V-4Ti-4Cr) garantiza la resistencia al calor y a radiación suficiente para que el material sea resistente a la influencia de entornos superagresivos del reactor nuclear”, explica la coautora del proyecto, estudiante de posgrado del Departamento de metalología y física de resistencia de la NUST MISIS, Alexandra Baránova.

Según Baránova, la tarea de crear tal material compuesto no es fácil, porque dos materiales deben ser monolíticos al máximo en los puntos de conexión.
“Se logró resolver el problema mediante un tratamiento complicado termomecánico de elementos de tres capas que incluye la coextrusión caliente (compresión), la forja radial y la laminación conjunta. En resumen, se produce la formación de una ‘zona de transición’ al margen de los materiales compuestos donde los materiales se difunden, lo que garantiza una alta firmeza de su conexión”, destaca Alexandra Baránova.

Según los científicos, gracias al uso de esta tecnología, el acero y la aleación de vanadio se arraigan uno en el otro. El grupo de científicos lograron crear un prototipo de la capa de la barra de combustible que representa un tubo monolítico de tres capas.

Los ensayos de laboratorio mostraron una alta resistencia mecánica del material compuesto obtenido cuando se somete a las temperaturas de hasta 700°С. Próximamente los físicos planean investigar la resistencia a radiación del material de tres capas.

Sputnik