Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Zirkoniové slitiny jsou v současné době zastoupeny ve všech komerčně provozovaných lehkovodních a těžkovodních jaderných reaktorech. Povrch zirkoniových slitin podléhá korozi již při běžném provozu, ale při teplotách nad 800 °C nastává nebezpečná vysokoteplotní koroze. Jedná se o silně exotermickou a vysoce kinetickou reakci, během které dochází k disociaci molekul vodní páry a následnému vzniku oxidu zirkoničitého a výbušného vodíku. Uvolní se také teplo, které dále komplikuje chlazení aktivní zóny a posiluje další průběh vysokoteplotní oxidace zirkoniové slitiny.

Ve skupině Materiálů pro nanosystémy a biorozhraní v Oddělení funkčních materiálů FZÚ jsme navrhli a aplikovali antikorozní ochranu povrchu zirkonových slitin polykrystalickou diamantovou vrstvou (PDV) nanesenou metodou depozice z plynné fáze.

Obrázek: Depozice polykrystalické diamantové vrstvy na povrch vzorků palivových článků ze Zr slitin

Diamant má vysokou tepelnou vodivost a stabilitu, nízkou chemickou reaktivitu, nedegraduje s časem a má vhodný účinný průřez pro interakci s neutrony. Za standardních provozních podmínek jaderného reaktoru se PDV podílí na odvodu tepla a zároveň chrání povrch před nežádoucími chemickými reakcemi. Při teplotně vyvolaných změnách objemu Zr materiálů je výhodou směsný charakter ochranné uhlíkové vrstvy-kromě krystalických diamantových zrn obsahuje i pružnou amorfní uhlíkovou fázi, schopnou dobře sledovat objemové změny substrátu tak, že nedojde k porušení integrity ochranné vrstvy. Po iontové implantaci, simulující zátěž materiálu interakcí s elementárními částicemi v jaderném reaktoru, došlo k částečné grafitizaci PDV, ale diamantová krystalická fáze byla ve vrstvě stále přítomná. Po zahřátí vzorku s ochrannou PVD vrstvou v parním prostředí na teplotu 1200°C se krystalický diamant transformoval na směs převážně grafitu a amorfního uhlíku. Prvkovou analýzou jsme zjistili, že transformovaná vrstva absorbovala uvolněné atomy okolí a separovala podložku ze zirkonové slitiny od okolního prostředí tak, že se Zr slitina pod ochrannou vrstvou od základního Zr materiálu lišila atomovým složením zcela minimálně – žádoucí původní složení Zr slitiny tedy díky polykrystalické diamantové vrstvě vrstvě vydrželo i tepelně-havarijní poměry v jaderném reaktoru.

Ve spolupráci s Fakultou strojní ČVUT byly 20. 9. 2013 podány přihlášky jak vynálezu PV 2013-727 (Vrstva chránící povrch zirkoniových slitin užívaných v jaderných reaktorech; za FZÚ I. Kratochvílová, A. Taylor, F. Fendrych a M. Nesládek, za ČVUT R. Škoda a J. Škarohlíd), tak užitného vzoru PUV 2013-28502.

Kontakt: doc. Ing. Irena Kratochvílová, Ph.D.