Polykrystalická diamantová vrstva jako ochrana povrchu Zr slitin proti difuzi kyslíku a vodíku: prodloužení životnosti jaderného paliva

 Povrch zirkonových slitin jako konstrukčních materiálů pro jaderné reaktory chrání před korozními změnami polykrystalická diamantová vrstva. Povrch prvků ze zirkonových slitin je pokryt polykrystalickou diamantovou vrstvu (PCD) připravenou pomocí metody „chemical vapor deposition“ v mikrovlnném plasmatu. Dojde-li v havarijním stavu jaderného reaktoru k přehřátí systému, vznikne nová vrstva, která zhorší podmínky pro rozklad molekul vody, vysokoteplotní oxidaci a degeneraci povrchu (i pasivační vrstvy) a významně tak sníží pravděpodobnost kumulace a výbuchu vodíku v reaktoru. PCD se skládají z tvrdé diamantové a měkké grafitické fáze, připravují se nízkoteplotní depozicí z plynné fáze v mikrovlnném plazmatu a byly podrobeny řadě testů. Nejen koroze, ale i průnik H do Zr jsou díky pokrytí PCD sníženy v prostředí reaktoru jak za krátkodobě zvýšených havarijních teplot do 1100^oC, tak za dlouhodobě (až 195 dní) udržovaných standardních teplot (360-400^oC) – koroze typicky o 35-55%. Pokrytí PCD prodlouží dobu použití paliva, které se odstraňuje z reaktoru z důvodu zkorodovaného povrchu a nikoli dostatečného vyhoření paliva. Vzhledem k nízké teplotě depozice, charakteru vrstev s vysokým podílem diamantové fáze (96%) a specifičnosti Zr slitin byla adheze PCD k povrchu velmi vysoká. PCD vrstvy si udržely původní vlastnosti i po simulaci interakcí s neutronovým tokem. Na rozdíl od obvyklého způsobu antikorozní ochrany povrchů nepropustnými vrstvami brání PCD korozi komplexně:1.PCD vydrží teplotně-objemové změny a brání kontaktu Zr s okolím, 2. uhlík z PCD v za zvýšených teplot proniká do povrchové ZrO₂ vrstvy, mění její strukturu i složení, čímž brání korozi. Náklady na pokrytí PCD navýší původní cenu o méně než 1%. Zr články pokryté PCD byly vybrány firmou Westinghouse jako kandidáti na palivo odolné proti nehodám. Palivové články pokryté PCD vrstvami jsou dlouhodobě (do r. 2020) testovány v reaktoru v norském Haldenu. Pokud budou testy úspěšné, bude pokrytí PCD komerčně používáno jako ochrana proti korozi palivových článků. Výsledky vzbudily zájem českých i zahranicních médií (Český rozhlas, HN, Servis24, Energetika, Ekonomia, Materials Performance, Science Daily a další). Český patent byl udělen v r. 2015, v současnosti probíhá patentové řízení v EU, USA, Japonsku a Jižní Koreji.

Popis

Vrstva polykrystalického diamantu (PCD) chránící jaderné tyče ze Zr slitiny před značnou tvorbou oxidu a křehnutím při simulovaných havarijních podmínkách (zvýšené teploty, horká pára). Uhlík z PCD vrstvy přispívá k tvorbě karbidů zirkonia, které snižují celkovou rychlost oxidace slitiny Zr.

Kontaktní osoba: Irena Kratochvílová, +420 266 052 524, krat [at] fzu [dot] cz

Spolupracující subjekt:

• Fakulta strojní ČVUT, Technická 4, 160 07 Praha 6, Česká republika
• Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AV ČR, 17. listopadu 50a, 772 07 Olomouc, Česká republika
• Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav energetiky, Technická 3, 166 28 Praha 6, Česká republika
• Nuclear Fuel Division, Westinghouse Electric Company, 5801 Bluff Road, Hopkins, SC 29209, United States
• Westinghouse Churchill Site, 1332 Beulah Rd., Pittsburgh, PA 15235, United States
• Centrum výzkumu Řež s. r. o., Hlavní 130, 250 68 Husinec-Řež, Česká republika
• Institute for Applied Materials (IAM), Karlsruhe Institute of Technology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, Eggenstein-Leopoldshafen, 76344, Germany