Mezinárodní tým výzkumníků vytvořil nanokeramický materiál, který nejenže odolá náročným radiačním podmínkám uvnitř reaktorů, ale pod intenzivním radiačním zářením dokonce zlepšuje své mechanické vlastnosti.
Nová generace jaderných reaktorů bude provozována při mnohem vyšších teplotách a silnějších radiačních polích, než kdykoliv předtím. Cílem těchto změn je ekonomičtější a účinnější produkce energie.
Tradičně je v reaktorech jako primární chladivo používána voda, která absorbuje teplo vzniklé při štěpných reakcích a předává ho dále prostřednictvím parogenerátorů do sekundárního okruhu. Přestože se s vodou pojí menší rizika koroze, má toto chladivo své limity především v teplotě, za které může být reaktor provozován. V pokročilých reaktorech je ale zvýšení provozní teploty nejlepším způsobem jak zvýšit účinnost a množství produkce energie.
Nová chladiva jako jsou tekuté kovy v podobě sodíku nebo olova umožňují efektivní provoz reaktorů za mnohem vyšších teplot, na druhou stranu tato chladiva zvyšují korozní rizika materiálů, ze kterých bývají jaderné reaktory vyráběny.
„Jako materiál pro strukturální komponenty reaktorů se přednostně používají kovové materiály, avšak mnoho z těchto materiálů nemůže vystát korozní prostředí za vysokých teplot, jaké panují v pokročilých reaktorech,“ uvedl Kumar Sridharan, významný profesor z oblasti výzkumu strojírenské fyziky, materiálních věd a inženýrství z univerzity University of Wisconsin-Madison. „Koroze je povrchový fenomén, tudíž se jí lze bránit vhodnými povlaky. Tyto povlaky ale musí vystát vysoké radiační dávky, aniž by zkřehly,“ podotkl.
Profesor Sridharan ve spolupráci s italským výzkumným institutem Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) se sídlem v Miláně vyvíjí nanokeramický povlak oxidu křemíku, což je nový materiál, který odolává negativním účinkům vysokoteplotních kovových chladiv v pokročilých jaderných reaktorech. Nový materiál by mohl být pro pokročilé jaderné systémy velkým přínosem. Výzkumníci popsali jeho vlastnosti v článku „Radiation endurance in Al2O3 nanoceramics“ (Radiační odolnost nanokeramických materiálů založených na Al2O3), který byl publikován 22. září letošního roku v deníku Nature journal Scientific Reports.
Mnoho materiálů má tendenci pod silným radioaktivním zářením tvrdnout a křehnout. Nanokeramický povlak založený na oxidu křemíku naopak pod radioaktivním zářením získává lepší mechanické vlastnosti, uvedl Fabio Di Fonzo, vedoucí výzkumného centra Center for Nano Science and Technology v rámci institutu IIT (CNST-IIT).
„Naše práce demonstruje, že amorfní nebo nanokeramické materiály mohou při vystavení radioaktivnímu záření zlepšovat své mechanické vlastnosti, čímž se nám otevírá cesta k úplně novému pohledu na jaderné materiály, především pak na materiály povlaků v jaderných zařízeních,“ uvedl.
Sridharan a Di Fonzo spojili své zkušenosti prostřednictvím postgraduálních studentů Alexandera Mairova a Francisca García Ferrého, kteří zpočátku pracovali s Di Fonzem při vypracovávání svých magisterských prací v centru CNST-IIT. Poté co Mairov přešel na univerzitu University of Wisconsin-Madison s cílem získat titul PhD, on a García Ferré spojili oba výzkumníky (Sridharana a Di Fonza).
Laboratoře pod vedením Di Fonza produkovaly nanokeramiku na bázi oxidu křemíku již několik let. Ve spolupráci se skupinou vedenou profesorem Sridharanem, která prováděla mikroskopickou analýzu povlaků prostřednictvím transmisních elektronových mikroskopů, oba výzkumníci rozvinuli porozumění vlastností nanokeramických materiálů. „Laboratoře pod vedením Di Fonza vyvinuly povlak a vystavily ho radiaci, my jsme následně provedli analýzu a pomohli jim interpretovat výsledky,“ uvedl Mairov.
Výzkumníci předpokládají, že tento nový unikátní materiál umožní zvýšit celkovou bezpečnost a ekonomičnost jaderných reaktorů nové generace.
„Jedná se o změnu paradigmatu v této oblasti, neboť dosud jsme neměli k dispozici materiál, který by pod radiačním zářením zlepšoval své mechanické vlastnosti,“ uvedl García Ferré. „S tímto novým materiálem využijeme radiačního prostředí uvnitř jaderných reaktorů k přizpůsobení vývoje mechanických vlastností materiálů. Nejdůležitějším závěrem je, že máme k dispozici materiál, který bude mít na konci provozu jaderného reaktoru podobné mechanické vlastnosti, jako když byl poprvé vystaven radiaci,“ dodal.
Zdroj: Phys.org
