Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 343

Palivové články pokryté diamanty

Asi před půl rokem jsme psali o nových typech jaderného paliva odolného proti haváriím (https://www.3pol.cz/cz/rubriky/jaderna-fyzika-a-energetika/2231-jaderne-palivo-odolne-proti-nehodam). Jeden z typů, které vybrala k testování americká firma Westinghouse, pochází z výzkumu českých vědců. Výsledky výzkumu odborníků z Fyzikálního ústavu AV ČR, ČVUT a firmy Westinghouse představují novou metodu ochrany povrchu zirkoniových palivových prvků antikorozními nanokrystalickými diamantovými (NCD) vrstvami připravenými metodou depozice z plynné fáze.

 

Fotogalerie (1)
Srovnání chování povrchu nechráněné zirkoniové slitiny s chováním povrchu chráněného polykrystalickou diamantovou vrstvou při působení horké páry nebo vody pod tlakem (kresba MD)

Palivové články vodou chlazených reaktorů bývají pokryté zirkonovými (Zr) slitinami. (Konkrétně u firmy Westinghouse je to slitina obchodní značky ZIRLO.) Češi vymysleli účinný způsob ochrany obložení Zr paliva proti příjmu kyslíku a vodíku při oběhových a pracovních teplotách. Slitina Zr byla potažena vrstvami nanokrystalických diamantů (NCD) různých tloušťek, vypěstovanými v zařízení pro mikrovlnné plazmové chemické vylučování par (napařování). Kromě toho, že taková NCD vrstva brání přímé reakci slitiny Zr s vodou, ukazuje se, že uhlík uvolněný z NCD filmu vstupuje do podkladového materiálu Zr a mění jeho vlastnosti tak, že se výrazně sníží příjem kyslíku a vodíku. Po 100 až 170 dnech vystavení horké vodě při 360 ° C byla oxidace Zr ploch potažených NCD typicky snížena o 40 %. Ochranné NCD vrstvy mohou prodloužit životnost pláště palivového článku a tak i prodloužit životnost jaderného paliva. NCD může také sloužit jako pasivní prvek pro jadernou bezpečnost. Obložení ZIRLO s povlakem NCD bylo vybráno jako kandidát na palivo odolné proti nehodám v komerčně provozovaných reaktorech po roce 2020.

Pokusy a zkoušky

Po 195 dnech ve vodě horké 360 °C znatelně zvýšily vzorky nechráněné slitiny svou hmotnost. U povrchů chráněných NCD to bylo až o 55 % méně, díky nižší oxidaci a příjmu vodíku. Při vystavení páře o teplotách 1100 - 1200 oC byl dokonce nárůst koncentrace vodíku v nechráněných vzorcích o celý řád vyšší. Změna se projevila i v tloušťce (větší u neošetřeného materiálu), což bylo ověřeno optickou i elektronovou mikroskopií a měřením kapacitance. Silnější NCD vrstvy (500 nm a 700 nm) znamenají silnější ochranu než vrstvičky pouze 300 nm. Nejlepší ochranu poskytovala vrstva 700 nm, kdy po působení vody horké 360 oC po dobu 40 dní byla oxidační vrstva menší o 40 %. Vědci testovali také radiační odolnost diamantové vrstvy. Ozáření neutrony, které je v podmínkách jaderného reaktoru, simulovali ostřelováním těžkými ionty železa Fe2+.. Žádné významné změny strukturální integrity nebyly nalezeny.

Tři výhody diamantového pokrytí

Na rozdíl od obvyklých způsobů antikorozní ochrany povrchů Zr slitin kompaktními vrstvami s minimální propustností, brání nehomogenní NCD vrstvy korozi Zr slitin komplexnějším způsobem. Diamantová vrstva kromě diamantových zrn obsahuje i amorfní uhlík, takže je pevná a pružná zároveň. To znamená, že palivový proutek je mechanicky odolný a zároveň je schopný se přizpůsobovat tepelnému roztahování kovových tablet uranu, které jsou uvnitř něj. To se potvrdilo zobrazením ve skenovacím elektronovém mikroskopu a Ramanovou spektroskopií. Kromě toho, že diamantová vrstva brání přímému kontaktu Zr slitin s okolním prostředím, proniká uhlík z vrstvy do podkladového materiálu a ještě více brání koroznímu procesu. Hlavní ochranné mechanizmy nanokrystalické diamantové vrstvičky jsou tedy tři: 1. NCD ochraňuje povrch Zr slitiny před přímým působením vody; 2. atomy uhlíku pronikají do Zr slitiny, tvoří zde karbidy, které se stanou součástí vrstvičky oxidu zirkoničitého ZrO2, tím ztíží podmínky pro další příjem kyslíku a vodíku; 3. uhlík z diamantové vrstvičky změní elektrické vlastnosti vrstvy ZrO2, a tím opět ztíží oxidaci na rozhraní ZrO2/Zr interface.

Snížení koroze, prodloužení provozu, odolnost při havarijních podmínkách

Od února 2017 se NCD vrstvy testují v aktivním prostředí výzkumného jaderného reaktoru v norském Haldenu. Pokud projde všemi testy úspěšně, může se po roce 2020 pokrytí NCD vrstvami používat jako ochrana proti korozi palivových prvků v jaderných reaktorech. NCD pokrytí výrazně snižuje korozi Zr palivových prvků nejen při havarijním zvýšení teplot do 1 000 oC, ale i za standardních pracovních podmínek jaderného reaktoru. Testy probíhaly za simulovaných havarijních i standardních podmínek jaderného reaktoru na zařízeních ČVUT, VŠCHT Praha, FZÚ AV ČR, Karlsruhe Institute of Technology a Westinghouse Electric. Z omezení koroze Zr slitin by tedy mohly plynout opravdu značné ekonomické a ekologické přínosy.

Český patent

Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, firmy Westinghouse a Fakulty strojní ČVUT začali pracovat na zcela novém a úspěšném způsobu ochrany palivových prvků v roce 2013. V březnu 2015 jim byl udělen český patent a zároveň byla zaregistrována aplikace v mezinárodní databázi PCT. V roce 2016 byly podány přihlášky u patentových úřadů EU, USA, Japonska a Jižní Koreje.

Zdroje:

https://www.fzu.cz/novinky/vedci-z-fyzikalniho-ustavu-av-cr-se-vyznamne-podileji-na-zvyseni-bezpecnosti-jadernych-reaktoru-a

https://www.nature.com/articles/s41598-017-06923-4

(red)
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Chtěl bych být operátorem jaderného reaktoru

Ještě nemají dokončenou školu, ale mají velkou šanci stát se operátory na jedné z našich dvou jaderných elektráren. Vhodný psychologický profil, ale i znalosti a motivace devíti vysokoškolských studentů oslovily náboráře Skupiny ČEZ. Ti studenty zařadili do stipendijního programu.

Startuje ČEZ Inovační maraton

Třicítka studentů bude začátkem listopadu 24 hodin plnit úkoly související s ekologií a ochranou životního prostředí. Vítězové 5. ročníku ČEZ Inovačního maratonu si rozdělí odměnu 50 000 Kč. Ještě je čas se přihlásit!

Seminář Chemie na ČVUT – výuka i špičková věda

Nové léky využitelné v boji s rakovinou, přepracování použitého jaderného paliva, vytvoření pevnějších stavebních materiálů či likvidace kůrovce elektrickým proudem – to jsou jen některé z vědeckých úkolů z oblasti chemie, na kterých pracují vědci Českého vysokého učení technického v Praze (ČVUT).

Energetika by měla respektovat fyzikální zákony, ne politická rozhodnutí

Německo ročně spotřebuje 2500 terawatthodin energie. Ve větrných a solárních elektrárnách ale vyrobí za rok jen 180 TWh, což pokrývá sotva sedm procent spotřeby. Mezi těmito dvěma čísly je obrovská propast. Německo, díky politickým rozhodnutím posledních let, čelí vážnému problému.

Jak jste na tom s informační gramotností?

Jak se studenti druhého stupně základních škol orientují ve světě technologií, které nás obklopují? Jak zvládají aplikovanou matematiku? To ukáže jubilejní 10. ročník informační soutěže IT-SLOT, které se pravidelně účastní tisíce žáků 8. a 9. tříd základních škol z celé České republiky.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail