Впервые в реальном времени зафиксирована начальная стадия водородной коррозии урана
Физики из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL, США) впервые смогли подробно проследить самые ранние этапы коррозии урана под воздействием водорода. Это важное достижение для атомной энергетики, систем хранения водорода и перспективных термоядерных реакторов, поскольку именно такие процессы со временем могут приводить к разрушению материалов.
Ученые отмечают, что понимание взаимодействия водорода с металлами необходимо сразу для нескольких направлений. В частности, это поможет точнее прогнозировать поведение трития в термоядерных установках, повысить надежность резервуаров для хранения водорода и увеличить срок службы элементов ядерных реакторов.
Когда водород контактирует с металлическим ураном, запускается цепочка процессов, которая постепенно приводит к образованию гидрида урана — химического соединения водорода и металла. Сначала атомы водорода оседают на поверхности и проникают внутрь кристаллической структуры урана. По мере накопления газа формируется гидрид, который занимает больший объем, чем исходный металл. Из-за этого внутри материала начинает расти давление.
Со временем на поверхности появляются характерные вздутия или блистеры. Когда они разрушаются, наружу выбрасываются частицы гидрида урана, а свежие слои металла оказываются открытыми для нового контакта с водородом. Это еще сильнее ускоряет коррозию и делает процесс практически самоподдерживающимся.
Главная сложность заключалась в том, что до сих пор исследователи не могли наблюдать момент зарождения этих изменений. Традиционные методы диагностики позволяют фиксировать проблему лишь тогда, когда разрушение уже заметно развивается.
Чтобы увидеть самые первые стадии реакции, команда использовала белосветовую оптическую интерферометрию. Метод позволяет с высокой точностью отслеживать микроскопические изменения рельефа поверхности, не повреждая материал. Благодаря этому ученые смогли в реальном времени наблюдать за одним и тем же участком урана во время его взаимодействия с водородом.
Результаты оказались неожиданными. Выяснилось, что очаги образования гидрида появляются не там, где предсказывали существующие модели. Кроме того, коррозия распространяется в основном вдоль поверхности металла, а не вглубь, как предполагалось ранее.
Исследователи планируют продолжить эксперименты при разных температурах и давлениях. При этом разработанная методика может оказаться полезной не только для ядерной отрасли. Ее также можно применять для изучения коррозии других металлов, перспективных материалов для хранения водорода и даже некоторых типов сверхпроводников.
В перспективе полученные данные помогут создать более точные модели старения материалов, используемых в атомной энергетике и будущих термоядерных установках.
