Nové keramické obaly pro jaderné palivo

Martin Tůma  |  Věda

Fukušima je nejen velkou katastrofou, ale také zdrojem poučení a inspirace pro vylepšení stávajících jaderných technologií. Výzkum vědců z MIT si klade za cíl zlepšit strukturální integritu palivových tyčí i při vysokých teplotách a zabránit tak výbuchům vodíku, jaké se odehrávali ve Fukušimě.

Připomeňme si, jak vypadá taková běžná palivová tyč pro atomový reaktor obdobného typu, jaký je ve Fukušimě: Je to půl palce tlustý válec ze slitiny zirkonu, uvnitř naplněný peletami paliva (oxid uranu), který je před uzavřením naplněn héliem o tlaku 300kPa pro vylepšení chlazení tyče. Tyto tyče se potom spojují do svazků a zasunují se do jádra reaktoru.

Ve Fukušimě nastal problém, kdy se po výpadku chlazení začalo tavit zirkonové opláštění a navíc zde došlo k masivní oxidaci zirkonové slitiny. Díky tomu, že se kyslík z vodní páry vázal na zirkon, došlo k uvolňování velkého množství vodíku, který se hromadil, až došlo k jeho výbuchu.

Silikon karbidové obaly

Vědci z MIT, pod vedením profesora Mujida Kazimiho, přišli se zcela novým řešením opláštění palivové tyče. Jedná se o keramický silikon karbidový obal. Na obrázku je dobře vidět jejich návrh:

Návrh nového opláštění palivových tyčí. Zdroj: MIT
Návrh nového opláštění palivových tyčí. Zdroj: MIT

Má se tedy jednat o třívrstvou strukturu. Vnitřek tyče zůstane zachován tak jak je, tedy naplněn peletami paliva a héliem, ale obal se zcela změní. První vrstva, na obrázku černá, má být pevný keramický SiC. Zelená vrstva má být kompozit SiC a vláken SiC. A nakonec modrá vrstva označuje izolační potah z pevného SiC.

Toto řešení oproti stávajícímu opláštění slitinou zirkonu má celou řadu výhod. Především je to tepelná odolnost. Zatímco pro zirkon je mezní teplota 1300°C, keramická slitina karbidu křemíku nejeví problémy i při teplotách nad 1500°C. Ostatně, palivové tyče se zirkonovým obalem jsou navrženy pro práci při provozní teplotě okolo 300°C, s každým dalším nárůstem teploty ztrácí obal na pevnosti a zvyšuje se tempo koroze – oxidace.

Výzkumníci Yuoho Lee a Tom McKrell proto také testovali, jak bude obal z karbidu křemíku odolávat korozi. Zjistili, že i při 1500°C, kdy už je zirkon zcela mimo hru, má SiC keramický obal pořád až 1000 krát menší koeficient koroze.

Profesor Kazimi ale krotí nadšení poukázáním na problémy, které je potřeba ještě dořešit. Především je to otázka ukončení tyče. Na zirkonovou slitinu poměrně snadno přivaříme potřebné manipulační úchyty, ale na karbid křemíku nic takového aplikovat nelze. Snad jedině vytvarovat úchyty opět z keramického materiálu; lepidlo, které by vydrželo extrémní podmínky uvnitř jádra atomového reaktoru, prozatím neexistuje.

A dále je tu otázka křehkosti. Přece jen se jedná o keramiku, která není tak pružná a pevná jako kov. Před výzkumníky je tedy ještě dost práce, než bude tato nadějná technologie dotažena pro provozní využití. Nutno ale poznamenat, že by to otevřelo cestu ke zcela novým aplikacím v oblasti vysokoteplotních reaktorů. I proto bude součástí dalšího výzkumu otázka optimálního průměru tyče pro co nejefektivnější chlazení.

Zdroj:

Nejčtenější