Český patent: Polykrystalická diamantová vrstva ochrání palivové články v jaderných reaktorech

K výzkumu v této oblasti odborníky inspirovala například jaderná havárie ve Fukušimě. Český patent byl minulý měsíc úspěšně přijat Evropským patentovým úřadem, nyní si nalezne cestu do praxe.

Výsledky výzkumu jsou přesvědčivé a navzdory cennému materiálu není výroba vrstvy z diamantových nanokrystalů nedostupnou záležitostí. 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 (INB, CNNC, DAE, TVEL, ENUSA, Westinghouse, Global Nuclear Fuel, NFI, BAE SYSTEMS a další).

„Je to zcela nový způsob ochrany povrchu palivových článků,“ říká Irena Kratochvílová z Fyzikálního ústavu AV ČR. „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, která významným způsobem přispěla k výzkumu.

Související

Martin Pokorný

Čeští vědci vyvíjejí novou třídu…

Radek Chlup

Podle meteorologů musíme vyrovnat křivky pandemie i…

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 spoluautorka řešení. 

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. 
 
„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 docent Radek Škoda, který v současnosti působí na Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT.

Prvotním důvodem 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.