Gabriela Kolářová, 25. 02. 21
Inovativní způsob ochrany povrchu palivových článků před korozí, který prodlouží životnost palivových článků za havarijních i standardních podmínek, nyní může být díky patentu používán ve všech 94 jaderných reaktorech v USA. V dubnu 2020 získali vědci z Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT a z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR evropský patent a nyní i ten americký. Mají tak přístup na trh s největším počtem jaderných reaktorů na světě, které vyprodukují 30 % „jaderné“ elektřiny celého světa.
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.
Tradiční postupy se neosvědčily a tak se čeští vědci vydali úplně jinou, neprobádanou cestou. Ačkoli jejich postupu nejprve nikdo nevěřil, osvědčil se v mnoha testech. „Unikátní řešení je založeno na pokrytí povrchu palivových článků tenkou polykrystalickou diamantovou vrstvou. Velmi tenká vrstva z diamantových nanokrystalů významně zhoršuje podmínky pro korozi zirkoniového substrátu v jaderném reaktoru, a to dokonce o desítky procent. Antikorozní efekt polykrystalického diamantového povlaku je velmi specifický: kromě omezení přímého kontaktu kovového substrátu s okolním prostředím dochází při zvyšující se teplotě k průniku uhlíku z diamantové vrstvy do substrátu a mění jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Tím se snižuje pravděpodobnost koroze zirkonia a průniku vody, resp. vodíku do zirkoniového povrchu. Řešení funguje jak za standardních, tak i havarijních teplot,“ vysvětluje doc. Irena Kratochvílová z Fyzikálního ústavu AV ČR.
Schéma palivového článku s ochrannou dvojvrstvou_FOTO_ Fyzikální ústav AV ČR_ ČVUT
Inspirací k výzkumu v této oblasti byla třeba jaderná havárie ve Fukušimě. Patent byl podpořen dalším výzkumem a rozsáhlými testy v rámci projektu TA ČR ve spolupráci s americkou firmou Westinghouse. Žádost o udělení amerického patentu podali výzkumníci v roce 2016 a v únoru 2021 se podařilo patent potvrdit i u amerického patentového úřadu (USPTO).
Prvotním cílem výzkumu bylo omezit, případně zamezit, vysokoteplotní oxidaci zirkonia při havarijních stavech s teplotami nad 800 °C. Během této exotermické reakce se uvolňuje obrovské množství tepla, ale také vodíku, který může explodovat, zkorodované zirkoniové tyče mohou popraskat a uvolnit radioaktivní látky do primárního okruhu. Uvolňování tepla také dále komplikuje chlazení aktivní zóny a posiluje další průběh vysokoteplotní oxidace zirkoniové slitiny. Tento druh koroze zirkoniových slitin se dle patentu sníží pokrytím vnějšího povrchu jaderného paliva ochrannou vrstvou, která je tvořená polykrystalickou diamantovou vrstvou.
Dopad:
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.
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.
Tento článek je chráněn pomocí blockchainové služby Mytitle.
