Az MTA EK Fűtőelem és Reaktor­anyagok Laboratóriumának szakemberei atomreaktorokban használatos fűtőelem-burkolatok viselkedésével kapcsolatos laboratóriumi kísérleteket és modellszámításokat végeznek az Országos Atomenergia Hivatal részére. Az atomenergia biztonságos alkalmazásának érdekében ugyanis rendkívül fontos azoknak a fizikai és kémiai folyamatoknak, jelenségeknek a vizsgálata és megismerése, amelyek akár normál üzemi, akár üzemzavari, netán baleseti körülmények között végbemehetnek a fűtőelemek burkolatát képező fémötvözetekben. Ilyen folyamat például a burkolat korróziója (oxidációja), hidrogénfelvétele, elridegedése, illetve képlékeny deformációja és felhasadása. Ezeket a folyamatokat azonban nagyon sok tényező befolyásolja, egyebek között a hőmérséklet, az oxidáló közeg minősége és összetétele, az ötvözet anyagi minősége, felülete és gyártási technológiája stb., ezért a kísérletek következetes tervezést és az eredmények gondos kiértékelését követelik.

Kísérleti berendezés oxidációs vizsgálatokhoz

A fűtőelem-burkolatnak fontos szerepe van az atomerőműben keletkező radio­aktív anyagok környezetbe való kikerülésének megakadályozásában. Burkolatként ezért olyan, speciálisan erre a célra kifejlesztett cirkóniumötvözeteket alkalmaznak, amelyek normál üzemi körülmények között nagyon jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, és ellenállóak a korrózióval szemben. Atomerőművi üzemzavarok, balesetek során azonban magas hőmérséklet és oxidáló környezet is kialakulhat, ami kedvez a korróziónak, és a fűtőelem-burkolat nagymértékű elridegedését idézheti elő.

A felgyorsuló oxidációt és az elridegedést meg kell akadályozni, hogy a burkolat épsége üzemzavari helyzetben is megőrizhető legyen. Ezt a célt szolgálják az ún. fűtőelem-biztonsági kritériumok, amelyek korlátozzák a maximálisan megengedhető burkolat-hőmérsékletet és az oxidáció mértékét. Mivel az atomerőművi fűtőelemek és fűtőelem-burkolatok fejlesztése világszerte folyamatosan zajlik, és új ötvözeteket hoznak létre, szükségessé vált a jelenleg érvényes kritériumok felülvizsgálata, valamint új kritériumok bevezetésére is sor kerülhet.

Kísérleti berendezés a burkolatok hidrogénezéséhez

Az elmúlt években az MTA EK kutatói számos kisléptékű kísérletet végeztek a hatósági munka támogatása céljából. Ezek elsősorban a paksi atomerőműben jelenleg használt cirkóniumburkolat és egy vele azonos összetételű, de új gyártási technológiával előállított ötvözet baleseti viselkedésének tanulmányozására és a biztonsági kritériumok felülvizsgálatára irányultak. Az elvégzett kísérletekkel sikerült feltérképezni, hogy a magas hőmérsékletű oxidáció körülményei milyen hatással vannak az oxidáció sebességére, a képződő oxidréteg minőségére, a burkolat által felvett hidrogén mennyiségére és a burkolat mechanikai tulaj­donságaira, továbbá hogy milyen anyagszerkezeti változások magyarázzák a burkolat elridegedését. A hidrogénezett mintákkal végzett oxidációs kísérletek pedig hozzájárulnak annak megértéséhez, hogy a fűtőelem-burkolat normál üzemi hidrogénfelvétele milyen hatást gyakorol a burkolat baleseti viselkedésére.

A laboratóriumi kísérletek eredményei fűtőelem-viselkedési folyamatok számító­gépes modellezéséhez használhatók. Az MTA EK részvételével továbbfejlesztett számítógépes programok segítségével szimulálni lehet a fűtőelemek viselkedését az üzemzavarok széles skáláján, lehetővé téve a biztonság megítélését olyan esetekre is, amelyeket a kísérletek nem tudnak lefedni.•