České řešení antikorozního pokrytí jaderného paliva získalo americký patent

Čeští vědci získali americký patent na jejich objev polykrystalického-diamantového pokrytí, které dokáže významně chránit palivové proutky proti korozi v průběhu běžného i havarijního provozu reaktoru. Výzkumníci z Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky z ČVUT (CIIRC) a Fyzikálního ústavu AV České republiky získali na tuto technologii evropský patent již v dubnu minulého roku.

Americký patent znamená, že „nyní máme přístup k trhu s největším zastoupením jaderných reaktorů na světě“, uvedl CIIRC. „Všech 94 provozovaných reaktorů v USA a další dva momentálně ve výstavbě mohou využít tuto patentovanou metodu ochrany palivových proutků proti korozi, která prodlouží životnost proutků v podmínkách běžného i havarijního provozu,“ dodává CIIRC.

Spolupráce ČVUT a Akademie věd

Technické řešení v roce 2015 patentovala v České republice skupina výzkumníků z obou institutů: Radek Škoda a Jan Škarohlíd, v té době z Fakulty strojní ČVUT, a dále Irena Kratochvílová, František Fendrych a Andy Taylor z AV ČR.

„Unikátní řešení je založeno na pokrytí povrchu palivových proutků tenkou polykrystalickou-diamantovou vrstvou. Velmi tenká vrstva diamantových nanokrystalů významně zhoršuje podmínky pro vznik koroze na zirkoniovém substrátu, dokonce o desítky procent,“ uvedla Irena Kratochvílová.

Antikorozní efekt polykrystalického diamantového pokrytí je velmi specifický. Kromě omezení přímého kontaktu kovového povrchu palivových proutků s okolním prostředím s rostoucí teplotou proniká uhlík do diamantové vrstvy a mění její fyzikální a chemické vlastnosti. Snižuje tak pravděpodobnost koroze zirkoniového pokrytí a průniku vody do hermetického prostoru palivového proutku.

Lepší charakteristiky zirkoniového pokrytí paliva při havarijních stavech

Patent byl podpořen dalším výzkumem a rozšířenými testy v rámci projektu Technologické agentury ČR ve spolupráci s americkou společností Westinghouse. Výzkumníci požádali o americký patent již v roce 2016 a tento měsíc (únor 2021) získali potvrzení o schválení od Amerického patentového úřadu.

Hlavním cílem tohoto výzkumu bylo předejít oxidaci zirkonia při vysokých teplotách v havarijních situacích s teplotami pokrytí překračujícími 800 °C. V průběhu této exotermické reakce se uvolňuje kromě značného množství tepla, také vodík, který může tvořit výbušnou směs. Korodující zirkoniové palivové proutky mohou prasknout a uvolnit radioaktivní izotopy do primárního okruhu elektrárny. Emise tepla také následně komplikuje chlazení aktivní zóny reaktoru a podporuje další oxidaci zirkoniové slitiny, čímž dále rozvíjí tento chemický proces. Díky polykrystalické-diamantové vrstvě dochází ke snížení pravděpodobnosti vzniku koroze na vnějším povrchu zirkoniového pokrytí jaderného paliva.

Odolnější palivové proutky s delší životností

Další výzkum potvrdil potenciál tohoto řešení i při běžných provozních teplotách reaktorů. V některých případech může dojít k předčasnému vyjmutí palivového souboru z aktivní zóny reaktoru, aby se předešlo poškození palivových proutků způsobeným tepelným namáháním a korozí. Toto patentované řešení může prodloužit životnost palivových proutků s pozitivním dopadem na životní prostředí.

Zdroj úvodní fotografie fotografie: CIIRC ČVUT