Nowy materiał może sprawić, że energetyka jądrowa stanie się bezpieczniejsza i bardziej ekologiczna
11 marca 2011 roku Japonię nawiedziło trzęsienie ziemi o magnitudzie 9 stopni w skali Richtera oraz tsunami, które spowodowało serię poważnych wypadków w elektrowni jądrowej Fukushima-Daiichi. Była to najpoważniejsza katastrofa jądrowa od czasu awarii w Czarnobylu i jedyna, której nadano stopień 7 w międzynarodowej skali zdarzeń jądrowych i radiologicznych (INES). Jedną z przyczyn katastrofy był fakt, że główna koszulka paliwowa reaktora nie była odpowiednio zabezpieczona i w związku z tym uległa katastrofalnemu w skutkach uszkodzeniu podczas trzęsienia ziemi. Aby zapobiec podobnym wypadkom w Europie, w ramach unijnego projektu PLASTICERA powstaje nowa powłoka nanoceramiczna. Rozwiązanie to ma szansę radykalnie zmniejszyć prawdopodobieństwo awarii w konwencjonalnych reaktorach lekkowodnych. Jak tłumaczy koordynator projektu PLASTICERA, Fabio Di Fonzo, energia jądrowa jest jedną z kluczowych skalowalnych technologii, jakimi dysponujemy w walce ze zmianą klimatu. „Jednak zanim będziemy mogli wykorzystać potencjał tej technologii, musimy opracować bezpieczniejsze i bardziej zrównoważone metody produkcji energii jądrowej”, mówi. „Projekt PLASTICERA oznacza duży krok w kierunku osiągnięcia tego celu”. Di Fonzo, technolog i lider grupy z Laboratorium Nanomateriałów dla Energii i Środowiska przy Centrum Nanonauki i Technologii Istituto Italiano di Tecnologia, nadzorował prace Erkki Frankberga, wschodzącej gwiazdy w dziedzinie badań materiałoznawczych i stypendysty działania „Maria Skłodowska-Curie”. Badanie przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”,
Od koncepcji do realizacji
Rozwiązanie zaproponowane w projekcie PLASTICERA pozostaje koncepcją teoretyczną. Wykorzystuje ono amorficzne cienkie warstwy tlenku do ochrony głównej powłoki pręta paliwowego przed uszkodzeniem w razie wypadku jądrowego. „Nasz pomysł polega na tym, że cienka warstwa tlenku może stanowić wyjątkowe połączenie silnej bariery dyfuzyjnej z możliwością dostosowania się do naprężeń plastycznych wynikających z rozszerzalności cieplnej pręta paliwowego”, wyjaśnia Frankberg. Ta funkcjonalna powłoka powinna następnie znacznie opóźnić rozpoczęcie niekontrolowanej degradacji głównej koszulki paliwowej. „Pozwoliłoby to na szybkie schłodzenie awaryjne i radykalne ograniczenie produkcji wybuchowego gazu wodorowego w reaktorze. Produkcja takiego gazu jest głównym zagrożeniem dla każdej elektrowni jądrowej wykorzystującej wodę jako chłodziwo i pierwiastek (cyrkon) jako powłokę ochronną pręta paliwowego”, dodaje Di Fonzo. Przy wsparciu finansowym ze środków unijnych Di Fonzo i Frankberg mogli podjąć prace nad urzeczywistnieniem tej koncepcji. Wykorzystując szereg przełomowych technologii produkcji materiałów, uczeni rozpoczęli produkcję takich materiałów ceramicznych jak amorficzne tlenki, co było konieczne do zapewnienia plastyczności w niskich temperaturach. Następnie przetestowali właściwości mechaniczne i korozyjne tych materiałów w symulacji reaktora lekkowodnego odzwierciedlającej zarówno normalną pracę, jak i stan awarii.
Prace trwają
Jak twierdzi Di Fonzo, być może naukowcom udało się znaleźć Świętego Graala w dziedzinie materiałoznawstwa: plastyczny, amorficzny materiał ceramiczny, nazywany plastycznym szkłem. „Pomimo tego, że nie znaleźliśmy jeszcze ostatecznego rozwiązania problemów dotyczących reaktorów lekkowodnych, to jednak wykazaliśmy możliwość wytwarzania materiałów nanoceramicznych o niespotykanych dotąd właściwościach mechanicznych, w tym w zakresie plastyczności”, mówi. „Szczególne ważne było wykazanie, że szkła z tlenkiem glinu są plastyczne w warunkach naprężenia, co jest pionierskim osiągnięciem w przypadku materiałów ceramicznych”. Ponieważ jednak tlenek glinu rozpuszcza się w warunkach panujących w reaktorze lekkowodnym, poszukiwania w ramach projektu PLASTICERA wciąż trwają. „Obecnie pracujemy nad innymi nano- i amorficznymi materiałami ceramicznymi o takich samych właściwościach mechanicznych jak tlenek glinu, ale które będą oporne na trudne warunki występujące w reaktorach lekkowodnych”, podsumowuje Frankberg.
Słowa kluczowe
PLASTICERA, energia jądrowa, wypadek jądrowy, katastrofa w elektrowni Fukushim-Daiichi, Czarnobyl, koszulka paliwowa, powłoka nanoceramiczna, reaktor lekkowodny
