Keramické cihly používané v jaderných elektrárnách nabízejí díky své výjimečné odolnosti vůči záření a schopnosti udržet stabilitu i při vysokých teplotách životně důležitou ochrannou bariéru. Tyto cihly jsou vyrobeny z karbidu zirkonia s vyztužením karbidem křemičitým, čímž vznikají materiály dosahující hustoty přibližně 98 % teoreticky možného maxima. Toto těsné uspořádání ponechává velmi málo mezera, skrze něž by mohlo pronikat záření. Při ozáření neutrony při teplotě kolem 1000 °C se objem těchto cihel zvětší o méně než půl procenta. To je mnohem lepší než u běžného betonu, který má tendenci se v čase deformovat a praskat. Pro provozovatele elektráren, kteří dbají na bezpečnostní limity platné po desetiletí, je tento druh strukturální konzistence rozhodující.
V tlakovodních reaktorech (PWR) plní keramické cihly tři klíčové funkce za extrémního provozního zatížení:
Tyto funkce jsou umožněny schopností materiálu udržet pevnost v tahu nad 200 MPa při teplotě 1200 °C – hranice, kterou překračují možnosti většiny ocelových slitin.
Keramika určená pro jaderné aplikace obsahuje izotopy boru-10, které efektivně absorbují tepelné neutrony díky jejich velmi vysokému účinnému průřezu záchytu kolem 3837 barnů. Obsahuje také částice wolframu, které pomáhají blokovat gama záření prostřednictvím tzv. fotoelektrického jevu při energiích pod 3 MeV. Podle výzkumu publikovaného minulý rok mohou stěny z těchto keramických cihel o tloušťce asi 30 centimetrů snížit tok rychlých neutronů téměř o 92 procent. To je ve skutečnosti lepší než u srovnatelných stěn vyrobených z olovo-borátového skla, které dosahují pouze snížení o přibližně 78 %. Skutečnost, že tyto cihly tak dobře zvládají oba typy záření, znamená, že jsou stále důležitější pro stavbu menších, ale přesto velmi účinných ochranných stínění v nových typech reaktorů, které budou brzy uvedeny do provozu.
Nové metody slinování kombinované s inženýrstvím zrnitých hranic posunuly jaderné keramiky nad hranici 600 MPa v tahu. Pokud jde o směsi karbidu křemíku a diboridu zirkonia, vykazují přibližně o 40 až 60 procent lepší odolnost proti lomu ve srovnání se standardními materiály na bázi oxidu hlinitého, které byly dosud tradičně používány. To, co tyto keramiky opravdu odlišuje, je jejich schopnost zachovat si tvar i při expozici neutronovému bombardování dosahujícímu až 15 posunutí na atom. Tento druh stability je velmi důležitý pro reaktorové komponenty, které musí vydržet desítky let nepřetržitého ozáření uvnitř elektráren navržených na provoz déle než čtyřicet let.
Materiály označované jako ultra vysokoteplotní keramiky (UHTC) vydrží podmínky v reaktorech s teplotami přesahujícími 2000 stupňů Celsia, protože na svém povrchu vytvářejí ochranné vrstvy oxidů, mají velmi nízké koeficienty tepelné roztažnosti kolem 4,5 krát 10 na minus šestou stupně Kelsina a uchovávají strukturální integritu i přes vady ve své krystalické mřížce. Co se týče konkrétně karbidu hafnia, tyto materiály vykazují pouze 2procentní změnu objemu po 500 cyklech ohřevu a chlazení z 300 na 1800 stupňů Celsia. To je činí přibližně osmkrát odolnějšími ve srovnání s tradičním grafitem při testech za rychlého stárnutí v laboratorních podmínkách.
Následující tabulka srovnává účinnost stínění neutronů u běžných keramických materiálů:
| Materiál | Útlum neutronů (rozsah v MeV) | Blokování gama záření | Doba provozní životnosti |
|---|---|---|---|
| Borid karbonový | 0,025–14 (tepelné-rychlé) | Střední | 1520 let |
| Diborid hafnia | 0,1–10 (epitermální-rychlé) | Vysoká | 25+ let |
| Karbid wolframu | 1–14 (rychlé neutrony) | Extrémní | 12–15 let |
Nedávné pokroky v oblasti aditivní výroby umožňují vrstvené stínící architektury, které kombinují výhody těchto materiálů a současně snižují hmotnost komponent o 22–35 % ve srovnání s monolitickými konstrukcemi. Tato inovace přímo řeší výzvy týkající se odolnosti pozorované u prototypů reaktorů třetí generace+, čímž zajišťuje dlouhodobou bezpečnost a výkon.
Testy provedené na 18 jednotkách tlakovodních reaktorů ukazují, že tyto speciální jaderné keramické cihly si zachovávají přibližně 98 % své původní pevnosti, i když jsou po dobu pěti rovných let vystaveny intenzivnímu neutronovému záření. Při extrémních změnách teploty kolem 650 stupňů Celsia vydrží úctyhodných 12 000 hodin, aniž by se objevily drobné trhliny, což je ve skutečnosti o 15 % lepší než přijatelná hranice stanovená Mezinárodní agenturou pro atomovou energii pro dlouhodobou odolnost. Způsob výroby těchto cihel jim poskytuje přibližně o 40 % vyšší ochranu proti poškození způsobenému zářením ve srovnání s běžnými stínícími materiály používanými v současných elektrárnách. Toto bylo potvrzeno různými experimenty zkoumajícími odolnost různých materiálů vůči teplotnímu namáhání v nových typech jaderných reaktorů, které jsou dnes vyvíjeny.
Jaderné elektrárny dnes začínají používat keramické cihly smíchané s látkami jako karbid boritý, který pohlcuje neutrony. Tyto nové materiály snižují pronikání gama záření přibližně o 62 procent ve srovnání se staršími variantami, a to při zachování jejich strukturální pružnosti. Pohled na reálná data z evropských tlakovodních reaktorů odhaluje také zajímavou skutečnost. Keramické stínění vyžaduje přibližně o tři čtvrtiny méně údržby než běžné betonové bariéry, pokud se posuzuje desetileté období. Výzkumníci nyní pracují na dalším vylepšování těchto materiálů pomocí konstrukcí s postupnou hustotou. To jim pomáhá lépe odolávat tepelným šokům, což je velmi důležité pro novější typy reaktorů, které během provozu zažívají náhlé změny teploty.
Moderní jaderné keramické cihly profitovaly z průlomů v oblasti vědy o materiálech i výrobních technologií. Zatímco tradiční slinování zůstává základní metodou, aditivní výroba (AM) umožňuje komplexní geometrie, které dříve nebyly realizovatelné. Studie z roku 2024 ukazuje, že keramika vyrobená pomocí aditivní výroby dosahuje hustoty 98,5 % a lepší odolnosti vůči radiaci, přičemž snižuje únik neutronů o 18 % ve srovnání s odlitými ekvivalenty.
Plynové tlakové slinování zůstává oblíbenou metodou výroby extrémně hustých cihel z karbidu zirkonia, které jsou potřebné pro náročné aplikace. Additivní výroba však v současnosti mění situaci. Techniky jako inkoustové tiskárny na bázi pojiva nebo stereolitografie umožňují vyrábět sofistikované funkčně gradientní stínící komponenty, které tradiční metody nedokážou zvládnout. I čísla vypadají velmi dobře. Hovoříme o snížení odpadu materiálu o 30 až 40 procent, což je značná úspora při práci s drahými materiály. A přesnost rozměrů? Podle nedávných studií publikovaných v Journal of Materials Research činí přibližně 50 mikrometrů. Není proto překvapením, že stále více výrobců začíná tyto nové přístupy sledovat.
Navzdory pokroku se širokému nasazení staví do cesty překážky:
Nanokompozity na bázi aluminia a karbidu křemíku vykazují o 22 % lepší zeslabování gama záření při 2 MeV ve srovnání s monolitickými kermikami. Zahrnutí 3 hmot. % nanotrubek nitridu boritého zvyšuje účinný průřez pro zachycení neutronů o 40 %, aniž by došlo ke snížení tepelné vodivosti, která zůstává nad 25 W/mK – což je činí slibnými kandidáty pro multifunkční stínící komponenty.
Hybridy polymer-keramika, jako jsou kompozity epoxid-borid křemičitý, dosahují 80 % účinnosti olova při ochraně před zářením při hmotnosti o 30 % nižší. Jejich teplotní limit 250 °C však omezuje jejich použití na pomocné systémy, nikoli na reaktorová jádra, kde je vyžadována vyšší odolnost vůči teplotě.
Keramické součásti používané v jaderných aplikacích musí splňovat přísné mezinárodní bezpečnostní požadavky. Podle pokynů Mezinárodní agentury pro atomovou energii SSG-37 by materiály pro stínění měly být schopny odolat dávce záření vyšší než 100 milionů Grayů, aniž by vykazovaly známky strukturálního poškození. Splnění norem ASME BPVC-III a specifikací ISO 17872:2020 pomáhá zajistit, že tyto materiály dokáží v tlakovodních reaktorech pohlcovat neutrony s účinností alespoň 85 procent. Odborníci ze segmentu nedávno aktualizovali technická doporučení tak, aby zahrnovala nepřetržité monitorování mikroskopických trhlin v keramických komponentech novějších elektráren III. generace+. Tento preventivní přístup se ukázal jako efektivní při snižování potenciálních poruch o přibližně 40 až 45 procent ve srovnání se staršími stínícími systémy, které jsou stále v provozu.
Moderní jaderné elektrárny obvykle kombinují keramické cihly s vysoce odolným betonem, který obsahuje magnetit (Fe3O4) nebo serpentinitové materiály, aby vytvořily vrstvené radiační bariéry. Tato kombinace funguje lépe než pouhé použití keramických stěn samotných a snižuje gama záření přibližně o 22 %. Existuje však jedna komplikovaná otázka – keramika a beton se při zahřívání roztahují různě. Keramika se roztahuje přibližně o 5,8 mikrometrů na metr a stupeň Celsia, zatímco beton se roztahuje ještě více. Proto inženýři vkládají mezi ně speciální postupné vrstvy zirkonu. Tyto mezivrstvy pomáhají udržet stabilitu celé konstrukce i při teplotách dosahujících až 650 stupňů Celsia během normálního provozu.
EN
