České nanodiamanty v reaktorech mohou výrazně zlepšit bezpečnost jaderných elektráren

Čeští vědci vyvinuli a úspěšně otestovali nový typ pokrytí jaderného paliva s tenkou vrstvou diamantu. Tento postup řeší problémy "fukušimského typu". Tam na jaře roku 2011 za vysokých teplot reagující zirkonium (Zr) vytvářelo výbušný vodík. A co způsobily výbuchy vodíku ve fukušimských reaktorech, to jsme všichni viděli v přímém přenosu v televizi, následky se řeší dodnes.

Nakonec se totiž ozářené jaderné palivo z rozpadlých Zr trubiček "vysypalo" a radioaktivní látky se dostaly až mimo elektrárnu. Problém vytváření vodíku je teď asi nejžhavější téma jaderného inženýrství, snaží se ho přes 2 roky vyřešit výzkumníci na celém světě. Američany počínaje, přes Francouze a Korejci konče. Je to vědecký závod s časem. Kdo uspěje?

V této "soutěži" je i náš tým na Ústavu energetiky Strojní fakulty ČVUT v Praze Dejvicích, který už mnoho měsíců úspěšně testuje různá pokrytí jaderných paliv na reálných vzorcích Zr. A právě diamant se nám zdál být ideálním materiálem do jaderného reaktoru – netaje ani za velmi vysokých teplot, je tvrdý, nereaguje s horkou vodou a párou, "nepožírá" neutrony, dobře vede teplo… Jenom jsme netušili, jak ho rovnoměrně nanést na kovové zirkonium a udělat diamantovou vrstvu dostatečně pružnou, ale přitom tenkou a rovnoměrnou. A tak jsme se spojili s Akademii věd České republiky. Tam vyvinuli metodu jak nanést pružné "nanodiamanty" na téměř jakýkoliv povrch. Skupině na Fyzikálním ústavu AV ČR se letos opakovaně podařilo aplikovat takovou tenkou vrstvu diamantu na různé vzorky Zr. Pak následovaly na ČVUT testy - v peci, ve vysokoteplotní páře, ozařování těžkými ionty, materiálové zkoušky, reaktorové zkoušky … před a po nanesení diamantové nanovrstvy. A diamant na Zr trubičce zatím vše vydržel a choval se velmi mravně. Ano, zdá se, že i v reaktorech platí rčení Jamese Bonda: "diamonds are forever".

Zde je fotografie Zr pokrytí (t.j. trubiček cca 1 cm tlustých), jak vypadá s novým diamantovým pokrytím (zajímavá je pro fyziky viditelná interference na nanovrstvě diamantu).

Výhody použití nanodiamantu jsou jasné. Pokud se takové palivo dá do jaderného reaktoru, zlepší se přenos tepla za běžného provozu a prodlouží se životnost pokrytí paliva. V havarijním stavu, jako se stalo např. ve Fukušimě, pak takové palivo vydrží déle nechlazené a omezí se nežádoucí únik radioaktivity. Metoda je použitelná u všech dnešních reaktorů používajících vodu jako chladivo.

Výzkum je ale krutý. Vyhráli Češi závod s časem? To teď ještě nevíme, patentová přihláška je podaná, ale jestli diamant nestihl nanést někdo rychleji, se dozvíme za pár měsíců, až patentový úřad dokončí průzkum… Držte nám palce ©.

P.S. Myšlenka chránit Zr něčím, co nereaguje s vodou za vysokých teplot, není nová. Zkoušely se ve světě dvě alternativy.

První je pokrytí keramickými materiály, a to oxidy či nitridy. Zásadním problémem těchto keramických pokrytí je, že při vyšších teplotách (nad 1000C) keramiku větší teplotní roztažnost Zr trubky zevnitř "roztrhá" a obnažená Zr trubka pak stejně v páře zkoroduje. Keramické pokrytí prostě není dost pružné. To je pěkně vidět na následujícím obrázku, nejprve srovnání Zr trubky bez povlaku (stříbrná) a s keramickým povlakem (modrá).

Bohužel, po působení vysokoteplotní páry, nejenže modrá vrstvička zčerná, ale Zr ji roztrhá a dojde ke korozi, jak je vidět na tomtom obrázku:

Druhý přístup je nahrazení Zr v trubce něčím, co nekoroduje vůbec a vydrží vysoké teploty. Karbid křemíku, SiC, je ideální kandidát. Nicméně SiC je tak tvrdý a křehký, že jeho průmyslové použití je skoro nemožné - jen například zavaření natlakované SiC trubky s peletkami UO2 je ukrutný problém.