Ruskí vedci posunuli hranice materiálového inžinierstva v jadrovej energetike. V rámci ambiciózneho projektu Proryv sa im podarilo vyvinúť novú žiaruvzdornú austenitickú oceľ určenú pre zariadenia olovom chladených rýchlych reaktorov. Ide o technológiu, ktorá má ambíciu pracovať pri teplotách na úrovni 500 až 600 stupňov Celzia, teda výrazne vyšších, než na aké sú zvyknuté dnešné konvenčné jadrové bloky.

Pre porovnanie, štandardné reaktory typu VVER fungujú typicky v rozmedzí 320 až 350 stupňov Celzia. Nový materiál tak mieri do prostredia, kde extrémne teploty a agresívne chladiace médiá kladú na konštrukčné prvky podstatne vyššie nároky. Na tému upozornil portál Interesting Engineering.

Oceľ pre extrémne podmienky

Vývoj prebiehal pod taktovkou inštitútu CNIITMASH v rámci projektu Proryv, ktorého cieľom je zavedenie uzavretého jadrového palivového cyklu pomocou rýchlych reaktorov. Nová oceľ má zabezpečiť vysokú odolnosť voči korózii a dlhodobú tepelnú stabilitu až do 600 stupňov Celzia, čo je hranica, pri ktorej už mnohé tradičné materiály strácajú svoje mechanické vlastnosti.

Podľa Sergeja Logašova, riaditeľa Inštitútu materiálových vied CNIITMASH, vznikal materiál na základe počítačového modelovania a dát zo systémov s ťažkými kvapalnými kovmi používanými ako chladiace médium.

„Výsledný materiál kombinuje potrebnú radiačnú a koróznu odolnosť, tepelnú stabilitu pri teplotách do 600 stupňov Celzia a čo je najdôležitejšie, prekonáva dlhodobé pevnostné charakteristiky referenčnej ocele, ktorá sa dnes používa v konštrukciách jadrových elektrární pracujúcich v kontakte s ťažkým kvapalným kovovým chladivom,“ uviedol Logašov v tlačovej správe.

Ambíciou nie je len laboratórny úspech, ale aj praktická výrobná využiteľnosť. Práve preto paralelne prebiehali testy laserového zvárania austenitických aj martenziticko-feritických ocelí, vrátane homogénnych aj kombinovaných spojov potrebných pri výrobe kritických komponentov.

Kompozity pre ešte vyššie teploty

Súbežne s vývojom novej ocele pracovala strojárska divízia Rosatomu aj na štrukturálnych prvkoch pre vysokoteplotné plynom chladené reaktory. Využili pritom špeciálne uhlíkové kompozity, ktoré prešli testovaním fyzikálnej stability pri 1300 stupňoch Celzia a zachovania mechanických vlastností až do 1600 stupňov Celzia.

Gemini/rosatommd

Tieto materiály sú určené pre energeticko technologické stanice využívajúce reaktor s tepelným výkonom 200 megawattov, kde ako chladiace médium slúži hélium. Systém je navrhnutý tak, aby dosahoval výstupnú teplotu 850 stupňov Celzia a umožnil výrobu prehrievanej pary s teplotou 750 stupňov Celzia. Takéto parametre otvárajú dvere k vyššej účinnosti energetických cyklov.

„Kombinácia týchto vývojov, teda nových high tech materiálov a zváracích technológií, môže vytvoriť pevný vedecko-technický základ pre úspešnú realizáciu projektu jadrovej energetiky štvrtej generácie,“ uzatvára tlačová správa.

Prečo je objav taký výnimočný?

Tento objav je v podstate niečo ako prechod od klasického osobného auta k motoru raketoplánu. Aby sme pochopili, prečo sú tieto nové materiály (oceľ a kompozity) takou veľkou vecou, musíme sa pozrieť na to, čo jadrovú energetiku doteraz brzdilo.

1. Viac tepla = Viac energie (a lacnejšej)

Predstav si to ako varenie na sporáku. Ak tvoj hrniec zvládne len mierny ohrev, polievku varíš hodinu. Ak máš hrniec z materiálu, ktorý vydrží extrémne žiarenie, uvaríš ju za 10 minút.

Dnešné reaktory pracujú pri „vlažných“ teplotách 300 – 350 °C. To je, skrátka, limit týchto materiálov. Ak by sme pridali teplotu, stará oceľ by skrehla alebo zmäkla ako maslo. Nová oceľ z Ruska údajne zvládne teplotu až 600 °C a špeciálne kompozity dokonca 1 600 °C. Vyššia teplota znamená, že z rovnakého množstva paliva vytlačíme oveľa viac elektriny. Je to efektívnejšie a v konečnom dôsledku ekonomickejšie.

2. Tekuté olovo namiesto vody

Dnešné elektrárne chladí voda. Voda je fajn, ale pri vysokých teplotách sa mení na paru a vytvára obrovský tlak (ako v tlakovom hrnci), čo predstavuje bezpečnostné riziko. Vedci chcú prejsť na tekuté kovy (olovo). Olovo je skvelý chladič, ale má jednu zlú vlastnosť: je extrémne „hladné“ a agresívne. Bežnú oceľ by doslova rozožralo (skorodovalo) v rekordnom čase. Táto nová ruská oceľ je ako „brnenie“, ktorému tekuté olovo neublíži ani pri obrovskej žiare.

Freepik

3. Uzavretý cyklus

Toto je ten „svätý grál“ spomínaný ako projekt Proryv. Dnešné reaktory využijú len malú časť energie z paliva a zvyšok je „odpad“, ktorý musíme tisíce rokov strážiť. Rýchle reaktory (tie, ktoré potrebujú túto novú oceľ) dokážu tento „odpad“ zobrať a znova ho použiť ako palivo.

Prečo je to teda pokrok? Bez materiálov, ktoré vydržia tie drsné podmienky vo vnútri (teplo + radiácia + korózia), by sa tento reaktor po pár mesiacoch rozpadol. Nová oceľ umožňuje, aby takýto stroj fungoval desiatky rokov.

Doteraz sme mali materiály, ktoré nám dovoľovali jazdiť len po okresných cestách (nízke teploty, nízka efektivita). Tieto nové ocele a kompozity sú ako postavenie diaľnice a superšportiaku. Umožňujú nám vstúpiť do éry, kde jadrové elektrárne pália vlastný odpad, sú bezpečnejšie, pretože nepotrebujú vysoký tlak vody, a vyrábajú energiu oveľa účinnejšie.

Čítajte viac z kategórie: Novinky