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 1100oC, tak za dlouhodobě (až 195 dní) udržovaných standardních teplot (360-400oC) – 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.

SEM polykrystalické diamantové vrstvy

Popis ilustrace : a) tloušťka a stav vrstvy polykrystalického diamantu v nm před (a) expozicí v autoklávu, po 30 (b) a 15 (c) dnech v autoklávu.

¹Institute of Physics, Czech Academy of Sciences, Na Slovance 2, 182 21 Prague 8, Czech Republic