Nový druh kovového materiálu prodlouží životnost jaderných reaktorů a zvýší jejich odolnost

I přes odpůrce a vysoké bezpečnostní nároky zůstává jaderná energetika velkým hráčem ve světovém energetickém mixu, kdy produkuje zhruba 10 % světové elektřiny. Normální životnost jaderných reaktorů bývá kolem 40-60 let.

Většina reaktorů je v současné době vyrobena z nějakého druhu nerezové oceli. Avšak ocel má své limity a během času ztrácí své pozitivní vlastnosti. Tento problém je ještě podstatnější v novějších reaktorech, které pracují s většími teplotami, a v aktivních zónách je produkováno více rychlých neutronů. Vědci po celém světě tak hledají nové kovové slitiny, které by byly silnější a které by měly větší životnost. Vědci z Finska a Spojených států amerických nyní možná mají na tento požadavek odpověď. Ve studii publikované v deníku Physics Review Letters totiž oznámili objev vysoce entropní slitiny, která by mohla být pro účely jaderných reaktorů vhodnější než nerezová ocel.

Uvnitř jaderných reaktorů je palivo „bombardováno“ neutrony. Jak se těžké atomy jaderného paliva rozštěpí, vyprodukují další neutrony a teplo (které následně pohání turbíny a tím generují elektřinu). Zatímco většina neutronů je zastavena vodou či jiným moderátorem, některé se dostanou až k ocelové reaktorové nádobě. Jakmile neutron narazí do ocelového materiálu, může uvnitř jeho struktury dislokovat atom z krystalové mřížky oceli. Tyto materiálové poruchy pak způsobují oslabení materiálu reaktoru.

Vědci z Finska a USA otestovali dva druhy vysoce entropních slitin – nové třídy kovů složené z několika prvků ve stejných procentuálních poměrech – a srovnali je s chromovou ocelí. Při testech vědci ostřelovali pláty zmíněných materiálů niklovými a zlatými ionty, což mělo napodobit podmínky uvnitř jaderného reaktoru. Po všech testech se ukázalo, že vysoce entropní slitiny mají dvakrát až třikrát méně defektů než ocel.

Podle výzkumníka z University of Finland Kaia Nordlunda jsou tyto výsledky velmi slibné. Ve vysoce entropní slitině je každý typ atomů vystaven téměř stejnou mírou příchozím částicím. Ostatní slitiny obsahují základní kov, jako je například železo v ocelích, což znamená, že jeden typ atomů je v dané slitině vystaven příchozím částicím více než ostatní. Tento rozdíl znamená, že u vysoce entropních slitin jsou šance na dislokování podobně velkých atomů podobné, a tím pádem se tyto slitiny lépe vypořádávají s těmito defekty.

„O vysoce entropních slitinách víme už zhruba 15 let, ale teprve nedávno se nám podařilo tyto slitiny vyrobit v dostatečně vysoké kvalitě na to, abychom je mohli podrobit těmto testům,“ uvedl Nordlund pro server Quartz.

Dalším krokem bude podle Nordlunda otestování těchto slitin proti ocelovým slitinám skutečně používaným pro výrobu jaderných reaktorů. Ať výsledky dopadnou jakkoliv, Nordlund uvádí, že je mnoho druhů těchto kovových slitin, které je potřeba otestovat.

V současné době je velkovýroba vysoce entropních slitin neúnosně drahá, avšak výzkumníci věří, že v budoucnu tyto materiály dostatečně zlevní natolik, aby mohly být v jaderných reaktorech použity.

Zdroj: Quartz