Ochrana povrchu palivových článků jaderných elektráren
před korozí: ČVUT získalo americký patent, má otevřené dveře na trh USA
26.2.2021 K rozvoji jaderné energetiky ve světě přispívá významnou
měrou i České vysoké učení technické v Praze. Významným milníkem se v
tomto směru stal únor 2021, kdy vědci Českého institutu informatiky,
robotiky a kybernetiky ČVUT (CIIRC ČVUT) a Fyzikálního ústavu Akademie
věd ČR (FZU AV ČR) získali americký patent na způsob ochrany povrchu
palivových článků v jaderných elektrárnách před korozí.
Autoři řešení
Inovativní řešení patentovali v rámci České republiky
Radek Škoda, Jan Škarohlíd (tehdy ještě za Fakultu strojní ČVUT) a
Irena Kratochvílová, František Fendrych, Andy Taylor (za Fyzikální
ústav AV ČR) již v roce 2015. Evropský patent získalo toto řešení v
dubnu.
Obsah řešení
Toto unikátní řešení je založeno na pokrytí povrchu
palivových článků tenkou polykrystalickou diamantovou vrstvou (viz
foto níže). 
Velmi tenká vrstva z diamantových nanokrystalů významně
zhoršuje podmínky pro korozi zirkoniového substrátu v jaderném
reaktoru, a to dokonce o desítky procent. Antikorozní efekt
polykrystalického diamantového povlaku je velmi specifický: Kromě
omezení přímého kontaktu kovového substrátu s okolním prostředím
dochází při zvyšující se teplotě k průniku uhlíku z diamantové vrstvy
do substrátu a mění jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Tím se
snižuje pravděpodobnost koroze zirkonia a průniku vody, resp. vodíku do
zirkoniového povrchu.
Řešení funguje jak za standardních, tak i havarijních
teplot.
Inspirace havárií ve Fukušimě, postup výzkumu
Inspirací k výzkumu v této oblasti byla mimo jiné
jaderná havárie ve Fukušimě. Patent byl podpořen dalším výzkumem a
rozsáhlými testy v rámci projektu TA ČR ve spolupráci s americkou
firmou Westinghouse. Žádost o udělení amerického patentu podali
výzkumníci v roce 2016 a v únoru 2021 se podařilo patent potvrdit i u
amerického patentového úřadu (USPTO).
Prvotním cílem výzkumu bylo omezit, případně zamezit,
vysokoteplotní oxidaci zirkonia při havarijních stavech s teplotami nad
800 °C. Během této exotermické reakce se uvolňuje obrovské množství
tepla, ale také vodíku, který může explodovat, zkorodované zirkoniové
tyče mohou popraskat a uvolnit radioaktivní látky do primárního okruhu.
Uvolňování tepla také dále komplikuje chlazení aktivní zóny a posiluje
další průběh vysokoteplotní oxidace zirkoniové slitiny. Tento druh
koroze zirkoniových slitin se dle patentu sníží pokrytím vnějšího
povrchu jaderného paliva ochrannou vrstvou, která je tvořená
polykrystalickou diamantovou vrstvou.
Dalším výzkumem se potvrdil i značný potenciál tohoto
řešení i za pracovních teplot reaktoru, čímž se prodlouží doba použití
paliva, které se typicky odstraňuje z reaktoru z důvodu zkorodovaného
povrchu a nikoli dostatečného vyhoření. Řešení tak výrazně snižuje i
ekologickou zátěž.
Potenciál amerického trhu jaderných elektráren
Spojené státy americké jsou zemí s největším trhem s
jaderným palivem, je zde totiž vyprodukováno přibližně 30 % elektřiny z
jaderných zdrojů celého světa a země má nejvíce jaderných reaktorů na
světě. Získání amerického patentu tak otevírá možnost aplikovat toto
patentované řešení i na tomto důležitém trhu.
V USA je dnes v provozu 94 jaderných reaktorů (a 2 ve
výstavbě) v jaderných elektrárnách o celkovém výkonu téměř 100 000 MWe.
Všechny tyto jaderné reaktory jsou tzv. lehkovodního typu, kde lze
použít zlepšení chráněná v uznaném patentu.
ČVUT,
redakčně upraveno
Foto ©
ČVUT
Další
informace zde
 Přečtěte si také:
 26.11.2020 Společnosti
ČEZ a britská společnost Rolls-Royce
podepsaly v první polovině listopadu 2020 dohodu o porozumění
(Memorandum of Understanding) v oblasti malých modulárních reaktorů.
Podobné dohody už česká energetická firma uzavřela i se společnostmi
NuScale a GE Hitachi.
Firmy budou
sdílet technické poznatky a detailně posoudí možnost uplatnění těchto
jaderných zařízení v České republice. Rolls-Royce patří ve vývoji
malých modulárních reaktorů mezi světové leadry. 
 7.9.2020 Jedním z
úspěšně postupujících projektů tzv. malých
reaktorů je
americký projekt NuScale.
Na konci
srpna 2020 tento projekt dosáhl významného milníku: Americký úřad pro
jadernou bezpečnost US Nuclear Regulatory Commission (NRC) vydal
závěrečnou zprávu o vyhodnocení bezpečnosti – final safety evaluation
report (FSER). Tím je završena technická revize projektu a vydáno
povolení k jeho zkonstruování.
 28.8.2020 Micro Modular Reactor (MMR),
tedy
„mikromodulární reaktor“ z dílny společnosti Ultra Safe Nuclear
Corporation (USFC) učinil v srpnu 2020 další významný krok ke svému
zkušebnímu provozu: Byla objednána konstrukce zařízení na cirkulaci
helia u britské firmy Howden, specializované na rozmanité komponenty
jaderných elektráren.
 19.8.2020 Jaderné
elektrárny jsou kritickou součástí energetiky z
hlediska ochrany jejich bezpečnosti. Tomu odpovídá i několikanásobné
jištění proti případným útokům ze vzduchu. Jedním z nich je laserový
detekční systém, který chrání střechy vybraných budov. Tento systém
otestovala na začátku srpna 2020 Policie ČR a společnost ČEZ v Jaderné
elektrárně Temelín.
 9.7.2020 Nejasný
postoj Evropské unie i některých národních států
ohledně jaderné energie vyvolává nejistotu u investorů, což brzdí
výstavbu nových jaderných elektráren i prodlužování provozu těch
stávajících. Globální spotřeba elektřiny roste a bez významného
přispění jaderných elektráren se nepodaří dostat emise skleníkových
plynů pod kontrolu. To jsou závěry Mezinárodní energetické agentury
(IEA). V nejnovější zprávě týkající se doporučení post-covidových
investic do energetiky pak IEA radí, aby vlády podpořily jadernou
energetiku prostřednictvím výkupních cen, garancí za úvěry nebo
systémem kreditů za bezemisní výrobu. IEA tedy radí postupovat podobným
způsobem, jakým se vydala česká vláda při přípravě nového jaderného
zdroje v Dukovanech.
 5.6.2020 Aditivní
výroba neboli 3D tisk se dostává stále více do
specializované produkce součástí v rozmanitých odvětvích, včetně
jaderné energetiky. Důkazem tohoto trendu je významný milník při výrobě
jaderných reaktorů: Americká energetická skupina Westinghouse Electric
Company nainstalovala v dubnu 2020 v jaderném reaktoru první součást
svého druhu vyrobenou touto technologií – omezovač průtoku.
 18.5.2020 Alloy 617
neboli Slitina 617 je jednoduché technické
označení pro kov, který může znamenat významný pokrok v oblasti
komercializace jaderných reaktorů IV. generace. Tento kov, vyvinutý v
Idaho National Laboratory (INL) v USA byl schválen Americkou
společností strojních inženýrů (ASME) pro zahrnutí do amerického Boiler
and Pressure Vessel Code, tedy kodexu kotlů a tlakových nádob. Je to
poprvé po 30 letech, kdy je do tohoto kodexu přidáván nový materiál.
Odborná veřejnost o tom byla informována začátkem května 2020.
 6.5.2020 Po jednání
vlády ČR z 27. 4. 2020 jsou jasné vzájemné
vztahy mezi státem a investorem nového jaderného zdroje, který by měl
po šedesáti letech provozu nahradit stávající zdroj v Dukovanech.
Ministři totiž probrali smluvní rámec spolupráce se společností ČEZ.
Rovněž byl dán mandát vicepremiérovi a ministru průmyslu, obchodu a
dopravy Karlu Havlíčkovi k tomu, aby zahájil nezbytná jednání o veřejné
podpoře s Evropskou komisí, tzv. notifikaci. V polovině letošního roku
budou podepsány smlouvy státu s investorem, na konci roku pak zahájen
tendr na dodavatele, který je v gesci společnosti ČEZ.
 11.3.2020 Zatímco
skupina ČEZ jedná se světovými dodavateli
již
vyvinutých malých modulárních reaktorů, její
dceřiná
(či „vnukovská“) společnost – Centrum výzkumu Řež, dceřiná společnost
ÚJV Řež ze skupiny ČEZ – pracuje na vývoji své vlastní koncepce
takovéhoto reaktoru, označené jako Energy Well, tedy v překladu
„energetická studna“. Na konci ledna 2020 získal jeho projektový tým
patent od Úřadu průmyslového vlastnictví a zahájil přípravu nejaderné
experimentální jednotky reaktoru.
 2.3.2020 Finsko a jeho
hlavní město Helsinky
jsou
v mnoha ohledech příkladem šetrného přístupu k přírodě a praktického
uplatňování konceptu smart city. Nicméně centrální zásobování teplem ve
finských městech stále používá jako významný zdroj energie fosilní
paliva. To nebude mít dlouhé trvání, s ohledem na plánovaný útlum
uhelných zdrojů v energetice. Jako možná alternativa se uvažuje o
využití malých jaderných reaktorů. Finské technické výzkumné centrum
VTT proto zahájilo v únoru 2020 projekt vývoje malého reaktoru určeného
primárně pro centrální zásobování teplem.
 24.2.2020 Spolu s Polskem
a
Estonskem je
Česko další zemí bývalého východního bloku, která se aktivně angažuje v
mezinárodní spolupráci na využití malých jaderných reaktorů. Důkazem je
memorandum o porozumění mezi společnostmi GE Hitachi Nuclear Energy
(GEH) a ČEZ podepsané na začátku února 2020. Jeho prostřednictvím se
obě strany dohodly na zkoumání ekonomické a technické proveditelnosti
potenciální výstavby reaktoru BWRX-300 v České republice.
 19.12.2019
Malé reaktory
jsou
spolu s reaktory IV. generace klíčovým
směrem v rozvoji jaderné energetiky. Jedním z typů, jehož příprava k
realizaci je v současné době na postupu, je ARC-100 od dodavatele ARC
Nuclear Canada. Důležitým milníkem v jeho realizaci je potvrzení
ministra kanadské provincie New Brunswick pro národní zdroje a rozvoj
energie z prosince 2019 ohledně podpory jeho vybudování pro komerční
demonstraci ve stávající jaderné elektrárně Point Lepreau.
 30.10.2019
Po Polsku je
další zemí bývalého komunistického bloku, která se velmi aktivně zajímá
o využití malých jaderných reaktorů, Estonsko. Svědčí o tom dohoda o
porozumění (Memorandum of Understanding), kterou v říjnu 2019 uzavřel
americký výrobce jednoho z malých reaktorů GE Hitachi Nuclear Energy
(GEH) a estonská společnost Fermi Energia. Tato společnost byla
založena odborníky na atomovou energii pro podporu rozvoje malých
jaderných reaktorů v Estonsku. Cílem uzavřené dohody s GEH je
prozkoumat ekonomickou proveditelnost vybudování malého reaktoru
BWRX-300 od GEH v Estonsku, prověřit požadavky na lokalitu a požadavky
estonské státní regulace v oblasti využití atomové energie.
 24.10.2019 O malých
reaktorech jako jednom z perspektivních směrů
ve vývoji jaderné energetiky slýcháme především v souvislosti se
zeměmi, jako jsou USA, Velká Británie, Kanada, případně Francie. Zdá se
však, že k jejich uplatnění může dojít i v postkomunistických zemích a
průkopníkem by mohlo být Polsko. Přinejmenším tomu nasvědčuje dohoda –
memorandum o porozumění – z října 2019 mezi americkým výrobcem jednoho
z malých reaktorů GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) a společností Synthos
SA
|
