Elektronové mikroskopy v diagnostice a vývoji nových materiálů jaderných reaktorů

Jak dochází ke snižování životnosti konstrukčních materiálů používaných v jaderných reaktorech, a jak zajistit jejich bezpečnou práci v extrémních podmínkách, tj. radiačním a korozním prostředí za vysokých teplot? Odborné pracoviště zaměřené právě tuto problematiku je Centrum výzkumu Řež (CVŘ) v Řeži u Prahy, zejména jeho projekt SUSEN (Sustainable energy, Udržitelná energetika), který řeší nejen otázky současných generací jaderných reaktorů, ale zaměřuje se i na vývoj nových materiálů pro vyšší generace jaderných reaktorů a reaktory fúzní pracující v extrémních podmínkách. Odborníci z Centra výzkumu pro vysoce citlivé analytické přístroje (CVCAP) zkoumají v rámci tohoto projektu otázku, jak zlepšit vlastnosti materiálu jaderných reaktorů na základě informací získaných z mikrostrukturních a chemických změn radiačně, tepelně i chemicky exponovaných materiálů. Již druhým rokem jim v tom pomáhá i elektronový mikroskop českého výrobce TESCAN.

„Pokud plně porozumíme procesům koroze a odezvě na radiační a tepelné zatěžování materiálů využívaných v jaderném průmyslu, můžeme takové materiály vylepšit,“ říká Jan Lorinčík z CVCAP. Centrum se otevřelo předloni v létě. V Centru se vědci prostřednictvím výzkumu materiálů podílejí například i na vývoji jaderných reaktorů čtvrté generace. Ty v budoucnu pravděpodobně nahradí současné reaktory druhé a třetí generace. (Náš Temelín je II. generace, příkladem III. nebo III+ generace jsou: vylepšený varný reaktor ABWR (Kashiwazaki-Kariwa, Japonsko), těžkovodní reaktor CANDU 6 (JE Gentilly, Kanada), tlakovodní EPR (Olkiluoto 3, Finsko, Flamanville, Francie, Taishan, Čína), WWER 1000 (Novovoroněž, Rusko), AP1000 (Vogtle a Summer, USA, Sanmen a Haiyang, Čína)).

Podívat se zblízka

Důležitým pomocníkem vědců při diagnostice a vývoji materiálů pro jaderný průmysl je elektronový mikroskop. „Jeho použití je prvním krokem při výzkumu mikrostrukturních a chemických změn materiálů a jejich dalším vývoji. Díky tomuto zařízení studujeme materiály na mikroúrovni, jsme tak schopni odhalit i nepatrné změny na povrchu a ve struktuře zkoumaných vzorků,“ vysvětlují Jan Lorinčík a jeho kolegyně Petra Bublíková. Mikroskop, vybavený mnoha detektory, umožňuje sledovat změnu v materiálu po vystavení například vysokým teplotám, radiaci či koroznímu prostředí. Jeden z detektorů elektronového mikroskopu dokáže například velmi rychle odhalit přesné prvkové složení vzorku, pomocí jiného detektoru lze sledovat orientaci zrn polykrystalických materiálů, v komoře mikroskopu lze rovněž připravovat vzorky pro detailnější analýzy transmisním elektronovým mikroskopem. Analýzy materiálů, při kterých vědcům pomáhá elektronový mikroskop, tak mohou pomoci zlepšit bezpečnost současných i budoucích jaderných programů. (O principu elektronového mikroskopu jsme psali např. v http://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/761-elektronovy-mikroskop)

Materiály pro energetiku se důkladně prověřují

Řádkovací elektronový mikroskop od firmy Tescan slouží k analýze kovových i nekovových materiálů. Pomocí systému detektorů dlouhodobě sledujeme například změny chemického složení zirkoniového pokrytí paliva namáhaného vysokoteplotní oxidací za různých podmínek, které se provádí jako simulace havarijních stavů v reaktoru (LOCA – Loss Of Coolant Accident). Zirkoniové slitiny jsou velkou oblastí analytických zkoušek v CVCAP. Pomocí speciálních metod přípravy vzorků a elektronové mikroskopie rovněž pozorujeme vliv vodíku vnikajícího do materiálu a tvořícího samostatnou fázi hydridů. Použitím jednoho z detektorů můžeme pozorovat krystalografickou orientaci hydridů v materiálu vzhledem k zrnům matrice. Kromě materiálů jaderných elektráren potvrzujeme rovněž kritickou velikost korozních důlků měřených nedestruktivními metodami a pozorujeme korozní úsady v důlcích lopatek turbín klasických elektráren. Mikroskop rovněž využíváme pro přípravu vzorků pomocí fokusovaného iontového svazku v komoře mikroskopu, pomocí této metody analyzujeme lokální změny materiálu, např. mezikrystalovou korozi, mikrotrhliny, nové materiály po expozici v heliu, superkritické vodě či tekutých kovech (keramické materiály, zpevněné oceli, aj.) v rámci základního či aplikovaného jaderného výzkumu.

Brno umí špičkové přístroje

Elektronový mikroskop v Centru výzkumu Řež je jedním ze tří mikroskopů brněnského výrobce TESCAN, které v Řeži využívají. Druhý model se nachází v nových horkých komorách projektu SUSEN, v přímém kontaktu s materiály, které se například ozařují ve výzkumném jaderném reaktoru LVR-15, či materiály, které jsou součástí mezinárodních projektů. Mikroskop zkoumá vlastnosti vysoce ozářených vzorků. “Instalace tohoto mikroskopu byla výjimečně náročná, protože celé zařízení je ovládáno speciálními manipulátory ve vedlejší, radiaci odstíněné, místnosti. To je zcela unikátní řešení,” vysvětluje Antonín Sedláček, ředitel společnosti TESCAN. Jejich třetí elektronový mikroskop funguje již řadu let v ÚJV Řež, a. s., divizi Integrita a technický inženýring, kde zkoumá defekty na převážně kovových materiálech, od tištěných spojů po vysoko­tlaké potrubí. Další řádkovací elektronový mikroskop instalovaný na detašovaném pracovišti v Plzni je oproti mikroskopům v Řeži vybaven stolkem pro tepelné a mechanické zatěžování vzorků pro “in-situ“ pozorování mikrostrukturních změn.

Projekt SUSEN

Moderní vybavení a laboratoře představují posílení materiálně-technické základny výzkumu pro jadernou energetiku v České republice, podpůrný vědecko-výzkumný program pro novou generaci jaderných reaktorů, vývoj pokročilých technologií a nové příležitosti pro vědecké pracovníky a studenty. Je součástí OP Výzkum a vývoj pro inovace a schválila jej Evropská komise v r. 2011.

Společnost TESCAN

Nadnárodní společnost založená 1991 v Brně je zaměřená na výzkum, vývoj a výrobu vědeckých přístrojů a laboratorního zařízení, zejména skenovacích elektronových mikroskopů a příslušenství k nim, lehkých optických mikroskopů, vakuových komor, detekčních sysytémů, softwéru pro zpracování obrazu atd. (https://www.tescan.com)

Martin Čepička