Jaderné reaktory využívané v jaderných elektrárnách dosahují tepelných výkonů v řádu stovek až tisíců MW. Při standardním provozu je teplo uvolňující se při jaderném štěpení paliva odváděno chladivem cirkulujícím v primárním okruhu, a je následně využito pro výrobu páry, jež roztáčí turbínu spojenou s generátorem. V případě ztráty primárního chlazení je možné reaktor ochlazovat přes jeho stěny, nicméně při překročení hranice kritického tepelného toku může dojít k jeho roztavení. Vědci z americké Havajské univerzity nyní přišli s novým řešením jak tuto hranici navýšit, a učinit tak provoz jaderných reaktorů bezpečnějším.

Jedním z největších nebezpečí při provozu jaderné elektrárny je možnost ztráty primárního chlazení – v této situaci je obtížné z reaktoru odebírat teplo vznikající probíhajícími jadernými reakcemi. Jedno z možností je reaktorovou nádobu chladit zvenčí, avšak tento způsob jejího chlazení je méně účinný než při běžné cirkulaci chladiva primárním okruhem. Pokud není možné teplo z reaktoru odebírat dostatečně rychle, teplota reaktorové nádoby začne stoupat, čímž může eventuálně dojít k jejímu roztavení a následnému úniku paliva.

„Výsledkem selhání chlazení je roztavení rozehřátých částí povrchu, tak jako se tomu stalo během havárie v jaderné elektrárně Fukušima v roce 2011,“ říká Sangwoo Shin, vědecký pracovník Havajské univerzity.

Pro chlazení horkých povrchů kapalinou, nejčastěji vodou, je zásadní proces odpařování. Přestože voda dokáže pojmout velké množství tepla i svým ohřátím, pro její odpaření je potřeba dodat další energii, takzvané skupenské teplo varu – pro představu, v případě vroucí vody se jedná o více než 5násobek energie, která je nutná pro její ohřátí z 0 na 100 °C.

Nanotechnologie se uplatňují i v oblasti chlazení

Tento způsob chlazení má však své limity. Při dosažení kritického tepelného toku se mezi horkým povrchem předmětu a vodou, do které je ponořen, utvoří tenká vrstva vodní páry, která výrazně snižuje účinnost chlazení, jelikož se další voda již nemůže odpařovat. V současné době je jednou z nejvyužívanějších možností, jak zvýšit tuto hranici, zdrsnění povrchu ochlazovaných předmětů pomocí nanostruktur, především tenkých drátků o průměru v řádu nanometrů. Odpařování tak může probíhat na větším povrchu, a tudíž je účinnější.

Tým vědeckých pracovníků na Havajské univerzitě pod vedením Sangwoo Shina nyní přišel s novým konceptem, jak tuto hranici posunout dále. Podle vědců by jejich metoda mohla přinést až 10% navýšení hodnoty kritického tepelného toku ve srovnání s dříve užívanými postupy.

Nová metoda spočívá v pokrytí chlazeného předmětu bimetalovými drátky o průměru v řádu nanometrů, které se s rostoucí teplotou povrchu reaktorové nádoby, či jiného předmětu, který pokrývají, ohýbají. Tato spontánní deformace zlepšuje podmínky pro odpařování vody z povrchu chlazeného předmětu.

Podle Shina se budoucí studie v oblasti možného navýšení kritického tepelného toku budou zřejmě soustředit na nalezení optimální geometrie a materiálů pro výrobu nanobimetalů.

Deformace bimetalů s rostoucí teplotou povrchu, který pokrývají, umožňuje jeho účinnější chlazení. Autor: Sangwoo Shin
Deformace bimetalů s rostoucí teplotou povrchu, který pokrývají, umožňuje jeho účinnější chlazení. Autor: Sangwoo Shin

Komentáře

0 komentářů ke článku "undefined"

Přidat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *