Учёные из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) впервые в реальном времени отследили начальную стадию коррозии урана под воздействием водорода. Это достижение, опубликованное в новом исследовании, имеет прямое значение для термоядерной энергетики, систем хранения водорода и ядерного топлива. Понимание реакции металла с водородом позволяет улучшить износостойкость компонентов, контактирующих с плазмой в реакторах синтеза, а также повысить надёжность хранилищ и эффективность топливного цикла.

Изображение: interestingengineering.com

Процесс разрушения происходит по циклу, который исследователь сравнил с эффектом гейзера. Сначала водород проникает в поверхность урана и диффундирует внутрь. Когда металл уже не может вместить больше газа, начинается химическая реакция с образованием гидрида урана. Это новое соединение занимает больший объём, чем исходный металл, что создаёт внутреннее давление. В результате на поверхности вздувается пузырь, который в итоге лопается, выбрасывая порошок гидрида и обнажая свежий уран, что ускоряет реакцию. Коротко этот цикл выглядит так: адсорбция, диссоциация, диффузия, накопление, образование пузыря, разрыв, отслаивание.

Раньше отследить самый первый момент реакции не удавалось: стандартные методы начинали работать только тогда, когда процесс уже шёл полным ходом. Чтобы решить эту проблему, команда LLNL применила бесконтактную оптическую технику — интерферометрию белого света. Метод измеряет отражение света от поверхности урана относительно эталонного пучка и строит микроскопическую карту рельефа. Поскольку метод не повреждает образец, исследователи многократно сканировали одну и ту же поверхность на всём протяжении реакции, создавая покадровую запись.

Полученные данные преподнесли свои сюрпризы. Гидридные пузыри возникали не там, где предсказывали модели, а коррозия распространялась горизонтально по поверхности, а не вглубь металла.

Учёные признают, что пока работа проведена в узком диапазоне температур и при одном давлении водорода. Следующий шаг — расширить условия эксперимента. Предложенный бесконтактный метод может быть применён и в других областях, например, для изучения деградации гидридных сверхпроводников или общей промышленной коррозии металлов.