Начало неконтролируемой реакции водорода с ураном впервые сняли на видео

Когда газообразный водород вступает в контакт с металлическим ураном, образуется химически активный порошок, который делает реакцию лавинообразной и трудноуправляемой. Это напрямую влияет на безопасность и срок службы технологий, критически важных для термоядерной энергетики, систем хранения водорода и ядерного топлива.

В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса впервые в режиме реального времени проследили за начальной стадией коррозии урана под действием водорода. Результаты опубликованы в журнале npj Materials Degradation, они помогут в разработке более точных и физически обоснованных моделей разрушения урановых компонентов.

Взаимодействие урана с водородом можно сравнить с гейзером. Сначала, подобно тому, как вода просачивается сквозь трещины вглубь земли, водород растворяется и диффундирует вглубь металла. Этот процесс происходит скрыто — до тех пор, пока уран не перестает вмещать поступающий водород. Тогда элементы соединяются, образуя гидрид урана, который занимает значительно больший объем, чем исходный металл.

Увеличение объема порождает рост внутреннего давления. Свежеобразованный гидрид расширяется и устремляется вверх, к поверхности, где формирует крошечный волдырь — блистер. Этот пузырек раздувается до тех пор, пока поверхностный слой не перестает выдерживать нагрузку. И тогда, подобно тому, как гейзер выбрасывает струю воды в воздух, блистер лопается, высвобождая порошок гидрида урана.

«Как только защитный поверхностный слой нарушен, обнажается свежий металл, и реакция ускоряется. Если кратко, цикл выглядит так: адсорбция, диссоциация, диффузия, накопление, образование волдыря, разрыв, отслаивание. И как только этот процесс запущен, остановить его крайне сложно», — говорит химик-материаловед Джибрил Шитту, ведущий автор исследования.

Чтобы создавать долговечные термоядерные реакторы, надежные системы аккумулирования водорода и ядерное топливо, которое можно безопасно хранить десятилетиями, необходимо понять самые истоки этого «водородно-уранового гейзера». До сих пор определение точного момента зарождения реакции оставалось нерешенной проблемой.

«Два основных метода, которые использовались в этой области, прекрасно работают, когда реакция уже набрала обороты. Но они практически слепы к самым первым событиям. Нам не хватало способа наблюдать за самой поверхностью в нужном масштабе длины и времени — непрерывно и не вмешиваясь в процесс. Именно этот пробел мы и решили заполнить», — объясняет исследователь.

Он и его коллеги воспользовались методом интерферометрии белым светом. С его помощью можно составлять детальную топографическую карту поверхности, измеряя, как свет отражается от урана по сравнению с эталонным лучом. Метод обеспечивает чувствительность, необходимую для того, чтобы увидеть пузырьки гидрида (широкие, но мелкие) без физического контакта с ними или их разрушения.

«Мы можем многократно сканировать один и тот же участок урановой поверхности на протяжении всей реакции, создавая покадровую запись. Это как разница между рассказом о событии задним числом и видеозаписью с камеры наблюдения, которая работает все время», — сравнивает Шитту.

Анализ этих записей преподнес экспериментаторам несколько сюрпризов. Во-первых, волдырь гидрида возник совсем не там, где ожидалось. Во-вторых, он распространялся вширь, а не уходил в толщу урана.

Это исследование проводилось в узком диапазоне температур, при одном давлении водорода и для одного состояния материала. Следующий шаг — расширение спектра условий. «Именно так мы перейдем от стадии „мы можем это увидеть“ к стадии „мы можем это предсказать при любых заданных условиях“», — заключает ученый.

Некогерентная интерферометрия может также применяться для изучения реакций водорода с другими металлами, что открывает перспективы в бурно развивающейся области гидридных сверхпроводников, а также для исследования иных типов коррозии и деградации материалов.