S nanokeramikou ke světlým zítřkům využití jádra

Že se ocel stává křehkou, když se polije tekutým dusíkem, ví už hodně z nás, bohužel i zloději aut. Méně známo je, že ocel křehne i po vystavení radiaci. V takovém případě se ale nestává "zranitelnou" jen v podchlazeném stavu, ale i za pokojové teploty. Právě to, spolu s demagogií aktivistů, jsou komplikace, které brání dalšímu rozmachu jaderné energetiky. Fyzikům se nejspíš jeden z těch problémů nyní podařilo eliminovat.

Pohled do laboratoře, kde odolnost keramické vrstvy vůči radiaci, testují. Kredit: University of Wisconsin-Madison.

Radiační křehnutí, jak se správně tvorbě prasklinek v oceli působením radiace říká, zkracuje život například reaktorovým tlakovým nádobám. Ty a spousta dalších součástek, se často pro její jiné dobré vlastnosti, vyrábějí z nízkouhlíkové nízkolegované oceli. Pro tu bohužel platí, že čím více záření, tím kratší životnost, respektive větší riziko, že někde něco praskne, ulomí se a upadne. Což v aktivní zóně je vždy velký problém.

Alexander Mairov, spoluautor objevu vlastností nanokeramické vrstvy z Al2O3. Kredit: University of Wisconsin-Madison, USA

Tým složený z italských, amerických a francouzských vědců nyní v časopisu Scientific Reports informuje, že se jim podařilo najít materiál, který nejen že odolává drsnému prostředí, ale radiace mu prospívá a činí ho odolnějším vůči korozi. Oceli, na kterou je nanesen, zvyšuje odolnost proti lomu. To vše jsou vlastnosti, které jsou pro příští generace jaderných systémů velmi žádoucí a mohly by přispět k razantnímu zefektivnění výroby energie.

I dnes se k chlazení primárních obvodů tradičně používá voda. Absorbuje a odvádí teplo vznikající v reaktorech štěpnou reakcí. Voda je k materiálům v nichž koluje, šetrná ale pokud chceme, aby zařízení dosahovalo vyšší účinnosti, je potřeba pracovat s vyššími teplotami a materiálem lépe převádějící teplo. Pro teploty nad 400 °C se voda moc nehodí. Vhodnější jsou roztavené soli a tekuté kovy jako sodík, olovo s bismutem nebo lithiem. Takové řešení ale s sebou nese právě ony zmíněné komplikace s požadavkem na vyšší pevnost materiálů v aktivní zóně a hlavně jejich odolnost vůči korozi.

Série snímků tenké povrchové vrstvy tvořeného oxidem hlinitým v jeho nano-formě. V amorfním materiálu se účinkem radiace tvoří nejprve malé nanokrystalky, které se zvětšují až postupně zacelí prasklinky v podkladovém materiálu. (Kredit: García Ferré, Center for Nano Science and Technology, 2016)

Série snímků tenké povrchové vrstvy tvořené oxidem hlinitým v jeho nano-formě. V amorfním materiálu se účinkem radiace tvoří nejprve malé nanokrystalky, které se zvětšují až postupně zacelí prasklinky v podkladovém materiálu. (Kredit: García Ferré, Center for Nano Science and Technology, 2016)

Vyřešit problém koroze pomocí keramických materiálů se snažilo už hodně týmů. Vždy se ale zatím ukázalo, že jsou tyto materiály příliš křehké. A když se konstruktéři snažili udělat z keramické vrstvy jen tenký povlak na kovovém podkladu, narazili na rozdílnou roztažnost obou materiálů. Na přechodové vrstvě pak dochází k něčemu, čemu se dá říci, že jeden táhne hot a druhý čehý.

Kumar Sridharan, profesor na University of Wisconsin, který se touto problematikou zabývá už dlouho, přetrvávající patovou situaci komentoval slovy: "Koroze je povrchový jev a když se najde vhodná povrchová úprava, bude po problému.“

Fabio Di Fonzo, italský technolog z Center for Nano Science and Technology, PoliMi, Istituto Italiano di Tecnologia, Via Pascoli 70/3, 20133 Milano (MI), Italia

Jenže udělat trvanlivý povrch na materiálech vhodných pro atomový reaktor, není jen tak. Kromě odolnosti vůči korozi musí mít „nátěr“ patřičnou plasticitu a ještě k tomu ho nesmí rozhodit ani vysoké dávky radiace. Teď se zdá, že se Sridharanovi s jeho italskými spolupracovníky z Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) v italském Miláně, Američany z Madisonu a Francouzi z Université Paris Saclay, látku s tak nesourodými vlastnostmi, podařilo najít. Vhodný povlak, který se hodí k ochraně ocelových materiálů určených pro aktivní zónu reaktorů, je paradoxně obyčejný oxid hlinitý. Když se z Al₂O₃ udělá nanokeramický povlak, nejen, že odolá teplotě tekutých kovů používaných v moderních reaktorech ale neuškodí mu ani radiace, ba naopak!

Zatímco většina materiálů při vystavení záření má tendenci tvořit trhlinky, oxid hlinitý ze záření profituje. Musí se ale na ocel nanést jen ve zhruba mikrometr silné vrstvě a to technikou zvanou pulzní laserová depozice. Když se pak taková „ochranná fólie“ připomínající svými vlastnostmi tak trochu plast, ozáří těžkými ionty, tak při teplotě 600 °C, což je běžné pracovní prostředí nových typů reaktorů, amorfní struktura se začne měnit na krystalickou. Výsledkem je vrstvička v níž vznikají nano-zrna. Čím je expozice záření vydatnější, tím jsou zrna větší. Rostoucí zrna mají tendenci vzniklé prohlubně překlenout a tím zacelují i vzniklé prasklinky. Důležité je, že se tím zvyšuje lomová houževnatost podkladové oceli. Dá se říci, že radiace, poněkud paradoxně, ošetřenému materiálu propůjčuje odolnost proti korozi, snižuje opotřebení a prodlužuje životnost součástek, což by mělo být bezpečnosti i rentabilitě provozu, ku prospěchu. Podle prvních ohlasů by objev měl najít uplatnění jak u stávajících lehkovodních reaktorů, tak při oplášťování paliva, a hlavně u čtvrté generace reaktorů, výhledově pak ve fúzním tokamaku.

Literatura
García Ferré, F. et al. Radiation endurance in Al2O3 nanoceramics. Sci. Rep. 6, 33478; doi: 10.1038/srep33478 (2016).

Autor: Josef Pazdera

Datum: 12.12.2016

Tisk článku

Související články:

Čína hlásí nový fúzní rekord: V tokamaku drželi plazma 102 sekund! Autor: Stanislav Mihulka (09.02.2016)
Pár úvah o elektroenergetice po pařížské klimatické konferenci Autor: Vladimír Wagner (24.02.2016)
Fúzní megaprojekt nabral pětileté zpoždění Autor: Stanislav Mihulka (20.06.2016)
První reaktor III+ generace běží na plný výkon Autor: Vladimír Wagner (28.10.2016)
Plovoucí jaderné elektrárny Autor: Vladimír Wagner (30.11.2016)

Diskuze:

antikorozní ocel

Stanislav Florian,2016-12-14 10:33:40

Článek mluví o využití u např. nízkouhlíkaté a nízkolegované oceli tlakové nádoby a prasklinkách.
Píšu jako laik obecně bez úplného dohledání odkazů.
Tlaková nádoba VVER je asi 20 cm silná austentická ocel. Vydrží řadu výměn palivových článků. 1)Palivové články jsou svařované z antikorozní chromniklové oceli. Těsnost palivových článků je kontrolována velmi důsledně a rozhoduje v hlavní míře o úniku radiace. Také v množících reaktorech typu BN s chlazením sodíkem musí být uranové články. Pokrok BN reaktorů je od prvního roku 1960 velmi malý. Atomový reaktor sestrojil E.Fermi (1942) několik let po objevu štěpení uranu a v principu je využíván i dnes. Jinak řečeno v pokroku množících sodíkem chlazených reaktorů jsou závažné problémy, myslím hlavně převodem 238 U na štěpitelné , ale velmi toxické plutonium.
2)Kontejnment VVER-1000 má myslím 19 mm plášť z antikorozní oceli.
3) Jestliže je problém s tlakovou nádobou, proč není třeba s dilatační mezerou opláštěna antikorozní třeba 2 cm vrstvou, která má v prostředí větší radiace v článcích rozumné vlastnosti.