![Zahlavi](/export/sites/avcr.cz/.content/galerie-obrazku/aktuality/2020/2020-05-27-clanky.jpg_1987258066.jpg)
Diamantová vrstva ochrání palivové články v jaderných reaktorech
27. 05. 2020
Vědci z Akademie věd ČR a ČVUT získali evropský patent na polykrystalickou diamantovou vrstvu, která prodlouží životnost a zvýší bezpečnost palivových článků v jaderných reaktorech za standardních i havarijních podmínek. Nyní chtějí získat pro své inovativní řešení i patent v USA a Koreji.
Patentované řešení českých vědců efektivně chrání palivové články v jaderných reaktorech před korozí, která by mohla mít závažné důsledky. „Je to zcela nový způsob ochrany jejich povrchu,“ říká Irena Kratochvílová, vedoucí výzkumného týmu z Fyzikálního ústavu AV ČR.
„Prakticky nikdo nečekal, že velmi tenká polykrystalická diamantová vrstva tak významně zhorší podmínky pro korozi kovového substrátu v jaderném reaktoru, a to dokonce o desítky procent jak za pracovních, tak i za havarijních teplot,“ doplňuje vědkyně.
Výzkumy v této oblasti se zintenzivnily po havárii v japonské elektrárně Fukušima v roce 2011. Čeští odborníci našli zcela specifickou, unikátní cestu, která by mohla napříště nejen zabránit podobnému vývoji událostí, ale přispět i k ochraně životního prostředí.
Proč je nutná ochrana před korozí
Jaderné palivo se vkládá do dlouhých trubek vyráběných ze slitiny zirkonia s přídavkem dalších kovů, které se zasouvají do aktivní zóny reaktoru. Tyto trubky ovšem podléhají přirozené korozi. Zirkonium je sice vůči korozi vysoce odolné při běžném provozu v jaderném reaktoru, kdy teploty dosahují 300–400 °C. Jakmile se však teplota v jaderném reaktoru výrazně zvýší, značně stoupne i hrozba koroze. Přesně to se stalo ve Fukušimě. Nekontrolovaný nárůst teploty v jaderném reaktoru tehdy vedl v konečném důsledku až k tomu, že se vysoce zkorodované zirkoniové obaly palivových tyčí roztrhly a jaderné palivo uniklo mimo reaktor.
Aby se podobná situace neopakovala, materiáloví fyzikové v celém světě se po této katastrofě intenzivně pustili do hledání způsobů, jak minimalizovat korozi povrchu palivových článků. Hlavním cílem bylo zvládnout v první řadě vysokoteplotní korozi v případě havárie. Do výzkumů se zapojili i vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR spolu s kolegy z ČVUT.
Palivový článek pokrytý diamantovou vrstvou
Tradiční postupy se neosvědčily
Zahraniční badatelé se snažili ochránit kov, z něhož se vyrábějí palivové tyče, tradičními metodami. Běžně se povrch kovových materiálů ve vysokoteplotním vodním prostředí chrání proti korozi tak, že se pokryjí ochrannými vrstvami nepropouštějícími molekuly vody (typicky ze speciálních kovových slitin a keramiky). Testované antikorozní vrstvy tohoto typu ale nepřinesly očekávaný efekt. Při zvýšených teplotách totiž dochází ke změnám objemu podkladového materiálu. V důsledku toho popraská vodou nepropustná ochranná vrstva a v místech nových prasklin se pak velmi rychle rozvine koroze podkladového kovového materiálu.
Čeští materiáloví fyzikové vymysleli nový způsob
Čeští odborníci se proto pustili úplně jinou, neprobádanou cestou. Ačkoli jejich postupu nejprve nikdo nevěřil, osvědčil se v mnoha testech. Místo kovů a keramiky potáhli palivové články novou tenoučkou polykrystalickou diamantovou vrstvu, kterou tvoří zhruba z 96 % mikroskopické diamantové krystaly a zbytek je měkký uhlík – je tedy pevná a pružná zároveň.
Připravuje se metodou zvanou depozice z plynné fáze a brání korozi mnohem komplexněji než tradiční způsoby antikorozní ochrany. Za prvé zamezuje přímý kontakt zirkoniových slitin s okolním prostředím, v tomto případě uvnitř jaderného reaktoru.
Za druhé – a v tom spočívá hlavní a velmi specifický antikorozní efekt polykrystalického diamantového povlaku – uhlík z diamantové vrstvy při zvyšující se teplotě postupně proniká do povrchu podkladového zirkoniového materiálu a mění jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Tím se významně snižuje pravděpodobnost koroze zirkonia a průniku vody, resp. vodíku do zirkoniového povrchu. Ochranná polykrystalická diamantová vrstva tak aktivně brání oxidaci podkladu bez ohledu na poruchy a trhliny vzniklé zejména při havarijních teplotách. Ovšem zásadním způsobem omezuje jeho korozi i za běžného provozu jaderného reaktoru.
Nejen větší bezpečnost, ale i menší ekologická zátěž
Díky tomu se nejen zvýší bezpečnost, ale též podstatně prodlouží životnost a efektivnost využití palivových článků. „Celý palivový článek i s jaderným palivem se totiž obvykle nevyhazuje kvůli plnému vyhoření paliva, ale především proto, že je zirkoniový obal příliš zkorodovaný,“ vysvětluje Irena Kratochvílová.
Svůj unikátní postup si vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a ČVUT nechali patentovat – a jejich patent minulý měsíc úspěšně přijal Evropský patentový úřad. Nic tedy nebrání cestě nové antikorozní vrstvy k praktickému využití.
Povrch polykrystalické diamantové vrstvy – snímek z elektronového mikroskopu
Diamantová vrstva má otevřenou cestu do praxe
„Všichni výrobci jaderného paliva zkoumají a testují po Fukušimě odolnější pokrytí a v následujících deseti letech uvidíme jejich běžné použití ve všech reaktorech na světě“, zdůrazňuje Radek Škoda, který v současnosti působí na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT.
Výsledky výzkumu jsou přesvědčivé a navzdory cennému materiálu není výroba tenké vrstvy z diamantových nanokrystalů drahá.
Vědci usilují o získání patentu v USA a Koreji a v současnosti vede Centrum pro Inovace a trasfer technologií Fyzikálního ústavu AV ČR jednání o prodeji patentovaných řešení s řadou evropských, asijských a amerických výrobců jaderného paliva.
S velmi dobrými výsledky proběhly také testy ochrany zirkoniových slitin proti korozi pokrytím dvojitou vrstvou. „Tyto dvouvrstvé povlaky snižují oxidaci povrchů oproti nechráněným vzorkům o více než 88 % při pracovních podmínkách a o 17 % při havarijních teplotách reaktoru,“ upozorňuje Irena Kratochvílová.
Inovativní řešení antikorozní ochrany povrchu zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech patentovali v rámci České republiky Radek Škoda, Jan Škarohlíd (za Fakultu strojní ČVUT) a Irena Kratochvílová, František Fendrych, Andy Taylor (za Fyzikální ústav AV ČR) již v roce 2015. Patent byl podpořen dalším výzkumem a rozsáhlými testy v rámci projektu TAČR ve spolupráci s americkou firmou Westinghouse.
Žádost o udělení evropského patentu u Evropského patentového úřadu v Haagu podali výzkumníci v roce 2016. V dubnu 2020 vydal Evropský patentový úřad definitivní souhlas s jeho udělením.
Nejen pro jaderné reaktory
Antikorozní polykrystalická diamantová vrstva může najít daleko širší využití. Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR testovali její použití i pro ochranu povrchu kovových koronárních stentů, které se zavádějí do zúžených cév pacientů s ischemickou chorobou. A výsledky testů jsou velmi nadějné.
Další podrobnosti o výzkumu materiálů pro jaderné reaktory najdete v časopise AV ČR A/Věda a výzkum 4/2018.
Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy Fyzikálního ústavu AV ČR a ČVUT
Fotografie: Fyzikální ústav AV ČR, ČVUT, Shutterstock
Přečtěte si také
- Revoluční metoda českých vědců odhaluje strukturu chromozomu
- Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
- Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
- Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
- Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
- Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
- Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
- Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
- Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii
- Bez jaderných elektráren se v Česku neobejdeme, říká předseda Komise pro energetiku
Aplikovaná fyzika
Vědecká pracoviště
- Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR
Ústav fyziky materiálů AV ČR
Ústav fyziky plazmatu AV ČR
Ústav přístrojové techniky AV ČR
Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR
Ústav termomechaniky AV ČR
Základní fyzikální zákony jsou v ústavech této sekce východiskem pro výzkum nových struktur a makroskopických vlastností pevných látek, tekutin a plazmatu. Studium mikrostruktury a mikroprocesů otvírá cestu k řešení problémů „materiálových věd“, jako jsou např. vlastnosti kompozitních materiálů a konstrukcí, poruchová mechanika a dynamika nebo biomechanika. Modelování prostorově vysoce strukturovaného turbulentního proudění rozličných tekutin, výzkum dynamiky kapalin a plynů biosféry či plazmových technologií jsou často výrazně aplikačně orientované. Studium vysokoteplotního plazmatu se soustřeďuje především na pulsní výkonové systémy a problémy udržení a ohřevu plazmatu v tokamaku. Bádání v oblasti aplikované fyziky má často interdisciplinární charakter a jeho výsledky také nacházejí použití v nejrůznějších oblastech vědy a techniky. Například umělá syntéza přirozené a dobře srozumitelné české řeči je důležitým úkolem v oboru zpracování číslicových signálů. Unikátní přístroje a měřící techniky byly vyvinuty pro spektroskopii a elektronovou mikroskopii živých objektů. Sekce zahrnuje 6 ústavů s přibližně 920 zaměstnanci, z nichž je asi 580 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.