Vědcům z Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR se v loňském roce v Evropě a nyní i v USA podařilo získat patent na unikátní způsob ochrany povrchu palivových článků v jaderných reaktorech. Inovativní řešení brání před korozí a prodlužuje životnost článků za havarijních i standardních podmínek. Díky americkému patentu se české technologii otevírá přístup k trhu s největším počtem jaderných reaktorů na světě.
Výzkumy v této oblasti se zintenzivnily po havárii v japonské elektrárně Fukušima v roce 2011. Čeští odborníci našli zcela specifickou, unikátní cestu, která by mohla napříště nejen zabránit podobnému vývoji událostí, ale přispět i k ochraně životního prostředí.
„Unikátní řešení je založeno na pokrytí povrchu palivových článků tenkou polykrystalickou diamantovou vrstvou. Velmi tenká vrstva z diamantových nanokrystalů významně zhoršuje podmínky pro korozi zirkoniového substrátu v jaderném reaktoru, a to dokonce o desítky procent, za pracovních i havarijních teplot,“ vysvětluje Irena Kratochvílová z Fyzikálního ústavu Akademie věd, vedoucí výzkumného vědeckého týmu, který na této metodě pracoval.
Řešení vysokoteplotní koroze
Jaderné palivo se vkládá do dlouhých trubek vyráběných ze slitiny zirkonia s přídavkem dalších kovů, které se zasouvají do aktivní zóny reaktoru. Tyto trubky ovšem podléhají přirozené korozi. Zirkonium je vůči korozi vysoce odolné při běžném provozu v jaderném reaktoru, kdy teploty dosahují 300 až 400 stupňů Celsia. Jakmile se však teplota v jaderném reaktoru výrazně zvýší, značně se zvyšuje i nebezpečí koroze. Přesně to se stalo ve Fukušimě. Nekontrolovaný nárůst teploty v jaderném reaktoru tehdy vedl k tomu, že se vysoce zkorodované zirkoniové obaly palivových tyčí roztrhly a jaderné palivo uniklo mimo reaktor.
Aby se podobná situace neopakovala, materiáloví fyzikové z celého světa se po této katastrofě intenzivně pustili do hledání způsobů, jak korozi povrchu palivových článků minimalizovat. Hlavním cílem bylo v první řadě zvládnout vysokoteplotní korozi v případě havárie. „Všichni výrobci jaderného paliva po Fukušimě zkoumají a testují odolnější pokrytí,“ uvedl Radek Škoda z ČVUT, jeden z autorů patentu.
Zahraniční badatelé se snažili ochránit kov, z něhož se vyrábějí palivové tyče, tradičními metodami. Běžně se povrch kovových materiálů ve vysokoteplotním vodním prostředí chrání proti korozi pokrytím ochrannými vrstvami ze speciálních kovových slitin a keramiky, nepropouštějícími molekuly vody. Testované antikorozní vrstvy tohoto typu ale očekávaný efekt nepřinesly.
Zisk amerického patentu
Čeští odborníci se proto pustili úplně jinou, neprobádanou cestou. Místo kovů a keramiky potáhli palivové články tenkou polykrystalickou diamantovou vrstvou, kterou tvoří zhruba z 96 % mikroskopické diamantové krystaly. Zbytek tvoří měkký uhlík, vrstva je tedy pevná a pružná zároveň. Díky tomu nejen zvyšuje bezpečnost, ale také podstatně prodlužuje životnost a efektivnost využití palivových článků. „Celý palivový článek i s jaderným palivem se totiž obvykle nevyhazuje kvůli plnému vyhoření paliva, ale především proto, že je zirkoniový obal příliš zkorodovaný,“ vysvětluje Irena Kratochvílová z Fyzikálního ústavu.
Unikátní český patent byl podpořen dalším výzkumem a rozsáhlými testy v rámci projektu Technologické agentury ČR a ve spolupráci s americkou firmou Westinghouse, která má mimo jiné zájem o stavbu dalšího jaderného bloku v Dukovanech. Žádost o udělení amerického patentu podali výzkumníci v roce 2016. V únoru 2021 se podařilo patent potvrdit u tamního patentového úřadu (USPTO).
„Spojené státy americké jsou zemí s největším trhem s jaderným palivem. Vyprodukují přibližně 30 % ´jaderné´ elektřiny celého světa, přičemž mají nejvíce jaderných reaktorů na světě,“ připomněl Radek Škoda z ČVUT. „Získání amerického patentu tak pro nás bylo důležitým milníkem. Otevírá nám možnost aplikovat naše patentované řešení i na tomto důležitém trhu.“
V USA je momentálně v provozu 94 jaderných reaktorů v jaderných elektrárnách o celkovém výkonu téměř 100 tisíc MWe. Všechny tyto jaderné reaktory jsou takzvaného lehkovodního typu, kde lze použít právě český patent. Antikorozní polykrystalická diamantová vrstva může ale najít daleko širší využití. Vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR testovali její použití rovněž pro ochranu povrchu kovových koronárních stentů, které se zavádějí do zúžených cév pacientů s ischemickou chorobou.
