(c) Graphicstock

Zirkoniové prvky v jaderných reaktorech pokryté diamantem

Zvýšení bezpečnosti jaderných reaktorů a prodloužení životnosti jaderného paliva pokrytím povrchu palivových prvků antikorozními polykrystalickými diamantovými vrstvami.

Zirkoniové palivové prvky pokryté antikorozními ochrannými polykrystalickými diamantovými (PCD) vrstvami byly v roce 2017 na základě výsledků řady testů vybrány firmou Westinghouse jako možní kandidáti na palivo odolné proti nehodám (Accident Tolerant Fuel) v komerčně provozovaných reaktorech v roce 2020. V únoru 2017 začaly dlouhodobé testy PCD vrstvami pokrytého jaderného paliva (Zr palivové prvky naplněné UO2 peletami) v aktivním prostředí výzkumného jaderného reaktoru v norském Haldenu. Účinná metoda ochrany zirkoniových slitin polykrystalickými diamantovými vrstvami byla navržena odborníky z Fyzikálního ústavu AV ČR, Fakulty strojní ČVUT a firmy Westinghouse. Český patent č. 305059 : „Vrstva, chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech“ byl udělen v březnu 2015. Zároveň byla zaregistrována v mezinárodní databázi PCT aplikace (WO2015039636-A1 ) pod názvem „Layer protecting the surface of zirconium alloys used in nuclear reactors“. V roce 2016 byly podány přihlášky u patentových úřadů EU, USA, Japonska a Jižní Koreje.
Kompozitní polykrystalické diamantové vrstvy byly připraveny v laboratořích Fyzikálního ústavu AV ČR metodou depozice z plynné fáze. Vrstvy byly testovány po simulaci havarijních i standardních podmínek jaderného reaktoru na zařízeních FS ČVUT, VŠCHT Praha, FZÚ AV ČR, Karlsruhe Institute of Technology a Westinghouse Electric. PCD pokrytí výrazně snížilo korozi zirkoniových prvků nejen za standardních pracovních podmínek, ale i při havarijním zvýšení teplot do 1000oC. V návaznosti na velmi dobré výsledky neaktivních testů byly vzorky pokryté PCD ozařovány Fe2+ (3 MeV, 1.95 × 1016 at/cm2) na urychlovačích v Texas AM, USA.  Krátkodobé ozařování relativně těžkými ionty se standardně používá k simulaci poškození materiálu dlouhodobým ozařováním termálními neutrony a v případě PCD materiálu nedošlo po ozařování Fe2+ k významným změnám strukturní integrity vrstvy. O výzkumu informovaly m.j. časopisy Science Daily a Materials Performance (2015).
Kromě toho, že mohou PCD vrstvy sloužit jako pasivní prvek pro zvýšení jaderné bezpečnosti, prodlouží pokrytí PCD životnost jaderného pláště a následně i dobu bezpečného použití jaderného paliva. Dlohodobé testy (40-170 dní) v  autoklávech  laboratoří Westinghouse Electric (dle normy ASTM) ukázaly, že pokrytí PCD vrstvami sníží oxidaci Zr vzorků o 40% oproti standardům. Výrazným snížením koroze obalu lze prodloužit dobu použití jaderného paliva, které se v současnosti odstraňuje z reaktoru především z důvodu vysoké koroze obalu (Zr slitiny) a nikoli z důvodu dostatečného vyhoření.
Na rozdíl od obvyklých způsobu antikorozní ochrany povrchů Zr slitin kompaktními vrstvami s minimální propustností, brání nehomogenní PCD vrstvy korozi Zr slitin komplexnějším způsobem. PCD se skládá se ze dvou odlišných fází uhlíku a to tvrdé diamantové a měkké grafitické. Jsou tedy pružné a zároveň pevné, díky čemuž vydrží teplotní zátěž v průběhu pracovního cyklu reaktoru. Kromě toho, že PCD vrstva brání přímému kontaktu Zr slitin s okolním prostředím, uhlík z PCD vrstvy proniká do podkladového materiálu a mění ho tak, že výrazně zhoršuje podmínky pro korozi zirkoniových slitin v jaderném reaktoru.

Výsledky byly publikovány v 

Scientific Reports/Nature Publishong Groups Scientific Reports 7, Article number: 6469 (2017) „Nanocrystalline diamond protects Zr cladding surface against oxygen and hydrogen uptake: Nuclear fuel durability enhancement“ https://www.nature.com/articles/s41598-017-06923-4.

Applied Surface Science 359 (2015) 621-628 Thin polycrystalline diamond films protecting Zirconium alloys surfaces: from technology to layer analysis and application in nuclear facilities,

J. Mater. Process. Technol. 214 (2014) 2600 – 2605: Nanosized polycrystalline diamond cladding for surface protection of zirconium nuclear fuel tubes

tisková zpráva Fyzikálního úustavu AV ČR

55 let satelitního televizního vysílání

Rok 1962 se zapsal do historie satelitního TV vysílání. Televizní signál totiž poprvé překonal Atlantický …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close