Молодой ученый трудится на кафедре физических методов и приборов контроля качества ФМПК УрФУ
Ученые Уральского федерального университета и Института физики металлов УрО РАН разработали новый метод ультразвукового контроля, который поможет выявить структурные изменения в материалах оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Исследование позволит точнее прогнозировать срок службы компонентов ядерных реакторов и снизить риски аварий. Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки России и представлена аспирантом УрФУ Алексеем Васильевым на XXXVI Уральской конференции с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля (Янусовские чтения)», где была отмечена почетным дипломом.
Метод контроля предполагает использование волн Лэмба, которые позволяют наглядно увидеть разницу в скорости распространения ультразвука до и после радиационного воздействия на вещество.
«Необходимо отметить, что волны Лэмба — это своеобразная экзотика в неразрушающем контроле, поскольку для каждого изделия требуется подобрать особые параметры и режимы, необходимые для эффективной генерации и приема этого вида акустических колебаний. В отличие от объемных ультразвуковых волн, волны Лэмба характеризуются дисперсией скорости, то есть зависимостью скорости от частоты, и возникновением волноводных эффектов в контролируемом объекте. Эти обстоятельства часто затрудняют или ограничивают практическое применение данного метода. Результаты нашей работы как раз и состояли в разработке технологии и поиске оптимальных параметров специализированного неразрушающего контроля оболочек ТВЭЛ», — рассказал руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы», профессор физико-технологического института УрФУ Анатолий Зацепин.
Для доказательства эффективности технологии авторы использовали пластины из стали 06Х16Н15М2Г2ТФР, идентичные оболочкам ТВЭЛ. Образцы подвергались радиационному воздействию для имитации условий эксплуатации ядерных реакторов. Затем через пластины с помощью пьезоэлектрических преобразователей пропустили ультразвук, зафиксировав результат. Численный анализ полученных данных проводили с использованием непрерывного вейвлетного преобразования, что позволило выявить даже незначительные изменения, происходящие в структуре материала под действием радиации.
«ТВЭЛ — ключевой компонент реакторов, где происходит деление ядерного топлива. Их оболочки испытывают экстремальные радиационные и термические нагрузки в смешанных радиационных полях. Поэтому данный вид контроля важен как на стадии изготовления элементов ТВЭЛ, так и после их эксплуатации на этапе утилизации отработанного ядерного топлива», — пояснил соавтор работы, доцент УрФУ Дмитрий Бирюков.
Уральские ученые, используя волны Лэмба, смогли показать, что структура облученной стали отличается от исходной. Такие изменения в оболочках ТВЭЛ связаны с появлением внутренних напряжений и снижением прочности материалов, что в итоге может привести к деформациям, повреждениям или даже к аварии.
В будущем ученые планируют адаптировать метод для промышленного контроля, чтобы повысить надежность ядерных энергоблоков. Новый метод ультразвукового анализа поможет увеличить срок службы ТВЭЛ и снизить затраты на производство электроэнергии. Результаты работы также опубликованы в виде полноценной статьи в академическом журнале ВАК «Дефектоскопия».
Владимир Мартьянов
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня и государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».