Český patent: zvýšení bezpečnosti jaderných zařízení pomocí diamantu

První bezpečnostní bariérou jaderné elektrárny je pokrytí paliva, které ale v některých nouzových situacích může způsobovat potíže. Aby za vysokých teplot nedocházelo k reakci vody a zirkoniové slitiny, která je dnes používána jako materiál pokrývající palivové tablety, a ke vzniku vodíku, snaží se výrobci jaderného paliva vyvinout pokročilejší materiály. Čeští vědci ve spolupráci se společností Westinghouse se vydali cestou diamantových vrstev.

Havárie jaderné elektrárny Fukušima Dajiči je považována za jednu z nejkomplikovanějších. Když došlo k zemětřesení, byly všechny provozované reaktory automaticky odstaveny a hlavní potíž spočívala v zajištění dochlazování aktivní zóny. Jaderné palivo má i po zastavení řetězové štěpné reakce velký tepelný výkon a po vyjmutí z reaktoru bývá několik let uloženo v bazénu a chlazeno cirkulující vodou, jinak by mohlo dojít k jeho poškození vlivem přehřátí. Vlna cunami ale vyřadila z provozu veškeré zdroje elektřiny ve fukušimské elektrárně, takže voda nemohla cirkulovat primárním okruhem a chladit palivo. V důsledku toho se teplota v reaktoru zvýšila nad 800 °C, voda se začala přeměňovat na páru a tlak v primárním okruhu výrazně vzrostl. Za těchto podmínek došlo k silné oxidaci povrchu palivových proutků ze zirkoniových slitin a k uvolnění značného množství vodíku.

Palivové proutky představuje zirkoniová trubička naplněná palivovými tabletami, které tvoří spečený oxid uraničitý. Tyto proutky jsou na obou koncích hermeticky uzavřeny svarem a zasunuty do palivové kazety. Její konstrukci tvoří distanční mřížky, které mezi jednotlivými proutky udržují stejné vzdálenosti, a vnější konstrukce dávající kazetě potřebnou mechanickou pevnost.

Vznikající vodík se za prvé hromadil uvnitř tlakové nádoby a za druhé vnikal do povrchu palivových proutků a způsoboval jejich křehnutí. Nahromaděný vodík vytvořil v reaktorové budově nad betonovým kontejnmentem reaktoru společně s kyslíkem výbušnou směs, která se vznítila a poškodila střechu a částečně i stěny těchto budov.

Jednou z možností, jak zvýšit bezpečnost provozu jaderné elektrárny a prodloužit životnost palivových proutků, je pokrýt jejich povrch ochrannou vrstvou. Řada výzkumných týmů v minulosti zkoušela různé krycí materiály, ale zatím bez valného úspěchu. Kupříkladu pokrytí keramickými ochrannými vrstvami nevydrželo ani základní, natožpak nouzovou teplotní zátěž.

Před dvěma lety navrhli čeští vědci a technici (Fakulta strojní ČVUT a Fyzikální ústav AV ČR) ve spolupráci se společností Westinghouse Electric Czech Republic, s. r. o., zcela novou technologii ochrany povrchu pomocí kompozitních diamantových vrstev. Tuto metodu, při níž diamantovou vrstvu deponují z plynné fáze v mikrovlnném plazmatu, testují a dosahují s ní zajímavých výsledků. Diamantová vrstva má mnoho výhod, kupříkladu kromě diamantových zrn obsahuje amorfní uhlík, takže je pevná a pružná zároveň. To znamená, že palivový proutek je mechanicky odolný a zároveň je schopný se přizpůsobovat tepelnému roztahování kovových tablet uranu, které jsou uvnitř něj. I další fyzikální vlastnosti z ní dělají velice vhodný materiál pro použití v aktivní zóně jaderného reaktoru.

První experimenty ukazují, že za standardních provozních podmínek jaderného reaktoru si diamantová vrstva zachovává své původní vlastnosti a chrání povrch zirkoniových trubiček před nežádoucími chemickými reakcemi, které souvisí se vznikem vodíku. Po dlouhodobé interakci s elementárními částicemi, které jsou uvolňovány při štěpení jader, dochází k částečně grafitizaci diamantové vrstvy (přibývá amorfního uhlíku na úkor diamantových zrn). Diamantová zrna ale zůstávají ve vrstvě přítomná, a tak nedochází k výrazné změně fyzikálních a chemických vlastností.

Po simulaci prostředí, které panuje v reaktoru při nouzové situaci, byla provedena prvková analýza podložky ze slitiny zirkonia, která ukázala, že ji ochranná uhlíková vrstva dostatečně separovala od okolního prostředí. Experiment byl proveden v parní komoře za teploty 1100 až 1200 °C a teplotně transformovaná ochranná vrstva zvládla absorbovat většinu atomů okolního prostředí, takže atomové složení zirkoniové destičky bylo pozměněno jen minimálně.

Týmy vědců a techniků za podpory Technologické agentury ČR v současnosti provádějí intenzívní výzkum ochrany povrchu palivových proutků pomocí diamantových vrstev, a to jak za standardních provozních podmínek, tak za extrémně vysokých teplot a tlaků. Výsledky experimentů ukazují, že diamantová vrstva prodlužuje životnost palivových proutků a zároveň omezuje uvolňování vodíku uvnitř reaktorové nádoby. Tento český vynález by mohl významně prodloužit životnost palivových článků a především přispět ke snížení pravděpodobnosti havárií jaderných zařízení.

Zdroj: Tisková zpráva