Po evropském patentu (duben 2020) se nyní podařilo získat vědcům z Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT (CIIRC ČVUT) a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (FZU AV ČR) i americký patent a mají tak přístup na trh s největším počtem jaderných reaktorů na světě. Ve všech 94 jaderných reaktorech v USA lze použít patentovaný způsob ochrany povrchu palivových článků před korozí, který prodlouží životnost palivových článků za havarijních i standardních podmínek.
Inovativní řešení patentovali v rámci České republiky Radek Škoda, Jan Škarohlíd (tehdy ještě za Fakultu strojní ČVUT) a Irena Kratochvílová, František Fendrych, Andy Taylor (za Fyzikální ústav AV ČR) již v roce 2015.
„Unikátní řešení je založeno na pokrytí povrchu palivových článků tenkou polykrystalickou diamantovou vrstvou. Velmi tenká vrstva z diamantových nanokrystalů významně zhoršuje podmínky pro korozi zirkoniového substrátu v jaderném reaktoru, a to dokonce o desítky procent. Antikorozní efekt polykrystalického diamantového povlaku je velmi specifický: kromě omezení přímého kontaktu kovového substrátu s okolním prostředím dochází při zvyšující se teplotě k průniku uhlíku z diamantové vrstvy do substrátu a mění jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Tím se snižuje pravděpodobnost koroze zirkonia a průniku vody, resp. vodíku do zirkoniového povrchu. Řešení funguje jak za standardních, tak i havarijních teplot," vysvětluje doc. Irena Kratochvílová z Fyzikálního ústavu AV ČR.
Inspirací k výzkumu v této oblasti byla třeba jaderná havárie ve Fukušimě. Patent byl podpořen dalším výzkumem a rozsáhlými testy v rámci projektu TA ČR ve spolupráci s americkou firmou Westinghouse. Žádost o udělení amerického patentu podali výzkumníci v roce 2016 a v únoru 2021 se podařilo patent potvrdit i u amerického patentového úřadu (USPTO).
„Spojené státy americké jsou zemí s největším trhem s jaderným palivem, je zde totiž vyprodukováno přibližně 30 % „jaderné" elektřiny celého světa a země má nejvíce jaderných reaktorů na světě", říká doc. Radek Škoda, jeden z autorů patentu, který působí na CIIRC ČVUT. „Získání amerického patentu tak pro nás bylo důležitým milníkem. Otevírá nám to možnost aplikovat naše patentované řešení i na tomto důležitém trhu."
V USA je dnes v provozu 94 jaderných reaktorů (a 2 ve výstavbě) v jaderných elektrárnách o celkovém výkonu téměř 100 000 MWe. Všechny tyto jaderné reaktory jsou tzv. lehkovodního typu, kde lze použít zlepšení chráněná v uznaném patentu.
Prvotním cílem výzkumu bylo omezit, případně zamezit, vysokoteplotní oxidaci zirkonia při havarijních stavech s teplotami nad 800 °C. Během této exotermické reakce se uvolňuje obrovské množství tepla, ale také vodíku, který může explodovat, zkorodované zirkoniové tyče mohou popraskat a uvolnit radioaktivní látky do primárního okruhu. Uvolňování tepla také dále komplikuje chlazení aktivní zóny a posiluje další průběh vysokoteplotní oxidace zirkoniové slitiny. Tento druh koroze zirkoniových slitin se dle patentu sníží pokrytím vnějšího povrchu jaderného paliva ochrannou vrstvou, která je tvořená polykrystalickou diamantovou vrstvou.
Dalším výzkumem se potvrdil i značný potenciál tohoto řešení i za pracovních teplot reaktoru, čímž se prodlouží doba použití paliva, které se typicky odstraňuje z reaktoru z důvodu zkorodovaného povrchu a nikoli dostatečného vyhoření. Řešení tak výrazně snižuje i ekologickou zátěž.
Mgr. Andrea Vondráková