Keramické tehly používané v jadrových elektrárňach ponúkajú životne dôležitú izoláciu vďaka ich výnimočnej odolnosti voči žiareniu a schopnosti zachovať stabilitu aj pri vysokých teplotách. Tieto tehly sú vyrobené z karbidu zirkónia s vystužením karbidom kremíka, čo vytvára materiály dosahujúce hustotu približne 98 % teoreticky možnej maximálnej hodnoty. Toto tesné usporiadanie ponecháva veľmi málo medzier, cez ktoré by mohlo unikať žiarenie. Pri vystavení neutrónovému ožarovaniu pri teplote okolo 1000 °C sa objem týchto tehál zväčší o menej ako pol percenta. To je oveľa lepšie v porovnaní s bežným betónom, ktorý má tendenciu krčiť sa a praskávať v priebehu času. Pre prevádzkovateľov elekárni, ktorých zaujímajú bezpečnostné rozpätia trvajúce desaťročia, tento druh štrukturálnej konzistencie znamená zásadný rozdiel.
V tlakovodných reaktoroch (PWR) keramické tehly plnia tri kľúčové úlohy pri extrémnom prevádzkovom zaťažení:
Tieto funkcie sú umožnené schopnosťou materiálu udržať pevnosť v ťahu nad 200 MPa pri teplote 1200 °C – hranica, ktorá presahuje možnosti väčšiny ocelových zliatin.
Keramiky určené pre jadrové aplikácie obsahujú izotopy bóru-10, ktoré účinne absorbujú tepelné neutróny, keďže majú veľmi vysoký prierez zachytenia približne 3837 barnov. Okrem toho obsahujú častice wolfrámu, ktoré pomáhajú blokovať gama žiarenie prostredníctvom tzv. fotoelektrického efektu pri energiách pod 3 MeV. Podľa minuloročného výskumu môžu steny z týchto keramických tehál hrubé približne 30 centimetrov znížiť tok rýchlych neutrónov až o 92 percent. To je v skutočnosti lepšie než u podobných stien vyrobených z olovo-borátového skla, ktoré dosahujú zníženie len približne o 78 %. Skutočnosť, že tieto tehly tak dobre zvládajú oba typy žiarenia, znamená, že sa stávajú čoraz dôležitejšie pre stavbu menších, ale stále veľmi účinných ochranných bariér proti žiareniu v nových reaktorových konštrukciách, ktoré budú čoskoro spustené.
Nové metódy spekania v kombinácii s inžinierstvom hraníc zŕn posunuli jadrové keramiky nad hranicu 600 MPa v ťahových skúškach pevnosti. Pri zmesiach karbidu kremíka a diboridu zirkónia sa prejavuje približne o 40 až 60 percent lepší odpor voči lomu v porovnaní so štandardnými materiálmi na báze oxidu hlinitého, ktoré sa tradične používajú. To, čo tieto keramiky skutočne odlišuje, je ich schopnosť zachovať tvar aj pri expozícii voči ožarovaniam neutrónmi dosahujúcim až 15 zmien na atóm. Takýto druh stability je veľmi dôležitý pre diely reaktorov, ktoré musia vydržať desiatky rokov nepretržitého ožarovania v elektrárňach určených na prevádzku viac ako štyridsať rokov bez prerušenia.
Materiály známe ako keramické materiály pre extrémne vysoké teploty (UHTC) vydržia podmienky reaktora s teplotami vyššími než 2000 stupňov Celzia, pretože na svojom povrchu tvoria ochranné vrstvy oxidov, majú veľmi nízke koeficienty tepelného rozťažnosti okolo 4,5 × 10⁻⁶ na kelvin a udržujú štrukturálnu integritu napriek chybám v ich kryštalickej mriežke. Pokiaľ ide konkrétne o karbid hafnia, tieto materiály vykazujú len 2-percentnú zmenu objemu po absolvovaní 500 cyklov ohrevu a chladenia od 300 do 1800 stupňov Celzia. To znamená, že sú približne osemkrát trvacejšie v porovnaní s tradičným grafitom pri testovaní za podmienok rýchleho starnutia v laboratórnych podmienkach.
Nasledujúca tabuľka porovnáva účinnosť blokovania neutrónov u bežných keramických materiálov:
| Materiál | Útlm neutrónov (rozsah v MeV) | Blokovanie gama žiarenia | Prevádzková životnosť |
|---|---|---|---|
| Borid karbónu | 0,025–14 (termálne-rýchle) | Mierne | 15–20 rokov |
| Diborid hafnia | 0,1–10 (epitermálne-rýchle) | Ťahové | 25+ rokov |
| Karbid volfrámu | 1–14 (rýchle neutróny) | Extrémny | 12–15 rokov |
Najnovšie pokroky v oblasti aditívnej výroby umožňujú vrstvené architektúry krytia, ktoré kombinujú výhody týchto materiálov a znižujú hmotnosť komponentov o 22–35 % oproti monolitickým konštrukciám. Tento inovačný prístup priamo rieši výzvy týkajúce sa trvanlivosti pozorované v prototypoch reaktorov generácie III+, čo zabezpečuje dlhodobú bezpečnosť a výkon.
Testy vykonané na 18 jednotkách tlakovodných reaktorov ukazujú, že tieto špeciálne jadrové keramické tehličky zachovávajú približne 98 % svojej pôvodnej pevnosti, aj keď boli po dobu piatich rokov nepretržite vystavené intenzívnemu ožarovaniu neutrónmi. Pri extrémnych zmenách teploty okolo 650 stupňov Celzia vydržia pôsobenie až 12 000 hodín bez vzniku malých trhlín, čo je o 15 % lepšie ako prípustná hranica stanovená Medzinárodnou agentúrou pre atárnu energiu pre dlhodobú odolnosť. Spôsob výroby týchto tehličiek im poskytuje približne o 40 % vyššiu ochranu proti poškodeniu spôsobenému radiáciou v porovnaní s bežnými materiálmi používanými v elektrárňach na ochranu pred žiarením. Toto bolo potvrdené rôznymi experimentami skúmajúcimi odolnosť materiálov voči teplu v nových typoch jadrových reaktorov, ktoré sa dnes vyvíjajú.
Jadrové elektrárne dnes začínajú používať keramické tehly zmiešané s látkami ako karbid bóru, ktorý pohlcuje neutróny. Tieto nové materiály znížia prenikanie gama žiarenia približne o 62 percent v porovnaní so staršími riešeniami, a to pri zachovaní štrukturálnej pružnosti. Analýza reálnych údajov z európskych tlakovodných reaktorov odhaľuje tiež zaujímavý fakt. Keramické ochranné bariéry vyžadujú v desaťročnom horizonte približne o tri štvrtiny menej údržby než bežné betónové bariéry. Výskumníci momentálne pracujú na ďalšom vylepšovaní týchto materiálov prostredníctvom konštrukcií s postupne sa meniacou hustotou. To im umožňuje lepšie odolávať tepelným šokom, čo je veľmi dôležité pre novšie typy reaktorov, ktoré počas prevádzky prechádzajú náhlou zmenou teploty.
Moderné jadrové keramické tehly profitujú z pokrokov v oblasti materiálov a výrobnej technológie. Zatiaľ čo tradičné spekanie zostáva základom, aditívne výrobné postupy (AM) umožňujú komplexné geometrie, ktoré boli doteraz nedosiahnuteľné. Štúdia z roku 2024 ukazuje, že keramika vyrobená pomocou AM dosahuje hustotu 98,5 % a lepšiu odolnosť voči radiácii, pričom znížila únik neutrónov o 18 % v porovnaní s liatymi ekvivalenty.
Plynové tlakové spekanie zostáva preferovanou metódou výroby extrémne hustých tehál z karbidu zirkónia, ktoré sú potrebné pri vysokovýkonných aplikáciách. Avšak aditívna výroba mení situáciu v poslednej dobe. Techniky ako inkjetové viazanie alebo stereolitografia otvárajú možnosti pre výrobu pokročilých funkčne gradientných ochranných komponentov, ktoré tradičné metódy nedokážu zvládnuť. Aj číselné údaje vyzerajú veľmi dobre. Hovoríme o znížení odpadu materiálu približne o 30 až 40 percent, čo je významný faktor pri práci s drahými materiálmi. A čo sa týka rozmerné presnosti? Podľa štúdií publikovaných v Journal of Materials Research ide o približne 50 mikrometrov. Nie je preto prekvapením, že stále viac výrobcov začína tieto nové prístupy vnímať.
Napriek pokroku sa širokému prijatiu stále stavajú do cesty prekážky:
Nanokompozity z hliníka a karbidu kremíka vykazujú o 22 % lepšiu atenuáciu gama žiarenia pri 2 MeV v porovnaní s monolitickými keramikami. Zavedenie 3 hmot. % nanorúrok dusičnanu bóru zvyšuje prierez zachytenia neutrónov o 40 %, aniž by kompromitovalo tepelnú vodivosť, ktorá zostáva vyššia ako 25 W/mK – čo ich robí vhodnými kandidátmi na multifunkčné ochranné komponenty.
Hybridy polyméru a keramiky, ako napríklad epoxidové kompozity s karbidom bóru, dosahujú 80 % účinnosti oloveného krytia pri 30 % nižšej hmotnosti. Ich teplotné obmedzenie na 250 °C však obmedzuje použitie na pomocné systémy namiesto reaktorových jadier, kde je potrebná vyššia odolnosť voči teplote.
Keramické časti používané v jadrových aplikáciách musia spĺňať prísne globálne bezpečnostné požiadavky. Podľa smerníc Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu SSG-37 by materiály na ochranu mali byť schopné vydržať dávky žiarenia vyššie ako 100 miliónov Grayových jednotiek, než sa objavia akékoľvek známky štrukturálnych poškodení. Splnenie noriem ASME BPVC-III aj špecifikácií ISO 17872:2020 pomáha zabezpečiť, že tieto materiály dokážu vo vodou chladených reaktoroch účinne absorbovať neutróny aspoň na 85 percent. Odborníci z priemyslu nedávno aktualizovali svoje technické odporúčania tak, aby zahŕňali nepretržité monitorovanie malých trhlín v keramických komponentoch novších elektrární generácie III+. Tento proaktívny prístup dokázal znížiť potenciálne poruchy približne o 40 až 45 percent v porovnaní so staršími systémami ochrany, ktoré sú stále v prevádzke.
Moderné jadrové elektrárne zvyčajne kombinujú keramické tehly spolu s masívnym betónom, ktorý obsahuje magnetit (Fe3O4) alebo hadcovité materiály, aby vytvorili viacvrstvové bariéry proti žiareniu. Táto kombinácia funguje lepšie ako samotné keramické steny a zníži gama žiarenie približne o 22 %. Existuje však jedna komplikovaná otázka – keramika a betón sa pri zahrievaní rozťahujú rôzne. Keramika sa roztiahne približne o 5,8 mikrometrov na meter a stupeň Celsia, zatiaľ čo betón sa roztiahne ešte viac. Preto inžinieri medzi ne vkladajú špeciálne postupne prechádzajúce vrstvy zirkónu. Tieto medzivrstvy pomáhajú udržať stabilitu celej konštrukcie, aj keď teploty dosiahnu až 650 stupňov Celsia počas normálnej prevádzky.
EN
