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 (ZDE).

„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.

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.

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.)