Výsledky výzkumu odborníků z Fyzikálního ústavu AV ČR, ČVUT a firmy Westinghouse představují novou metodu ochrany povrchu zirkoniových palivových prvků antikorozními polykrystalickými diamantovými (PCD) vrstvami připravenými metodou depozice z plynné fáze.
Zirkoniové palivové prvky pokryté PCD i vrstvami byly v roce 2017 vybrány firmou Westinghouse jako možní kandidáti na palivo odolné proti nehodám (Accident Tolerant Fuel) v komerčně provozovaných reaktorech po roce 2020. Od února 2017 je PCD testován v aktivním prostředí výzkumného jaderného reaktoru v norském Haldenu. Pokud všemi testy úspěšně projde, bude po roce 2020 pokrytí PCD vrstvami používáno jako ochrana proti korozi palivových prvků v jaderných reaktorech.
PCD pokrytí výrazně snižuje korozi zirkoniových palivových prvků nejen při havarijním zvýšení teplot do 1000 oC, ale i za standardních pracovních podmínek jaderného reaktoru. Vrstvy byly testovány po simulaci havarijních i standardních podmínek jaderného reaktoru na zařízeních ČVUT, VŠCHT Praha, FZÚ AV ČR, Karlsruhe Institute of Technology a Westinghouse Electric. Dlouhodobé testy v autoklávech laboratoří Westinghouse Electric ukázaly, že pokrytí PCD vrstvami sníží oxidaci oproti standardům o desítky procent. A právě výrazným snížením koroze obalu lze prodloužit dobu použití jaderného paliva, které se v současnosti odstraňuje z reaktoru především z důvodu nebezpečné koroze Zr slitiny. Z omezení koroze Zr slitin by tedy mohly plynout opravdu značné ekonomické a ekologické přínosy.
Na rozdíl od obvyklých způsobu antikorozní ochrany povrchů Zr slitin kompaktními vrstvami s minimální propustností, brání nehomogenní PCD vrstvy korozi Zr slitin komplexnějším způsobem. PCD se skládá se ze dvou odlišných fází uhlíku, a to tvrdé diamantové a měkké grafitické. Jsou tedy pružné a zároveň pevné, díky čemuž vydrží teplotní zátěž v průběhu pracovního cyklu reaktoru. Kromě toho, že PCD vrstva brání přímému kontaktu Zr slitin s okolním prostředím, uhlík z PCD vrstvy proniká do podkladového materiálu a komplikuje korozní proces.
Vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR, firmy Westinghouse a Fakulty strojní ČVUT začali pracovat na zcela novém a úspěšném způsobu ochrany palivových prvků v roce 2013. V březnu 2015 jim byl udělen český patent a zároveň byla zaregistrována aplikace v mezinárodní databázi PCT. V roce 2016 byly podány přihlášky u patentových úřadů EU, USA, Japonska a Jižní Koreje.
Reference
[1] Scientific Reports/Nature Publishing Groups Scientific Reports 7, Article number: 6469 (2017) „Nanocrystalline diamond protects Zr cladding surface against oxygen and hydrogen uptake: Nuclear fuel durability enhancement“, https://www.nature.com/articles/s41598-017-06923-4,
[2] Applied Surface Science 359 (2015) 621-628 Thin polycrystalline diamond films protecting Zirconium alloys surfaces: from technology to layer analysis and application in nuclear facilities,
[3] J. Mater. Process. Technol. 214 (2014) 2600 - 2605: Nanosized polycrystalline diamond cladding for surface protection of zirconium nuclear fuel tubes.