Češi umějí vynalézat

Do prostor Centra výzkumu Řež nás v reportáži zavede i nejnovější vydání našeho vědeckého podcastu Elektron. Zveme vás k poslechu!

https://komoraplus.cz/2022/10/11/na-prahu-energetiky-budoucnosti/

Rozhovor začínáme poněkud netradičně. Místo toho, abychom se posadili do kanceláře nebo zasedací místnosti, oblékli jsme si bílý plášť, na boty si obuli návleky a v kapse máme dozimetr. Proč to všechno?

Protože si náš výzkum ukážeme přímo v praxi. V našich laboratořích pracujeme s ozářeným materiálem, a proto je tu jisté riziko, že během manipulace s ním se uvolní radioaktivní prach. Naše pracoviště je samozřejmě vybaveno tak, aby pravděpodobnost kontaminace byla co nejnižší. Z bezpečnostních důvodů tady máme systém ochranných bariér. Když se jedna poruší, pořád máme několik dalších. Ochranné pomůcky jsou základním požadavkem pro vstup do kontrolovaného pásma – pro vás i pro mne.

Dozimetr ukazuje nulu, takže žádné záření zatím nezachytil. Ale jsme teprve na začátku… Vstoupili jsme do kontrolovaného pásma laboratoře Horké komory Centra výzkumu Řež. Čím se tu zabýváte?

Centrum výzkumu Řež je dceřinou společností firmy ÚJV Řež a jde o výzkumnou organizaci, která se zabývá řešením problémů dnešní energetiky. Specializujeme se na několik oblastí, z nichž nejdůležitější je materiálový výzkum. Nároky na elektřinu jsou stále větší. Všichni se snaží ušetřit náklady a vyprodukovat co největší zisk, což znamená, že jakákoliv elektrárna musí být zisková. Díky výzkumu jsme schopní zvýšit bezpečnost elektráren, jejich životnost i efektivitu.

Centra materiálového výzkumu jsou poměrně běžná. Čím se tady v Řeži u Prahy od ostatních lišíte?

Společně se zařízením horkých komor kolegů z ÚJV Řež jsme jediné laboratoře v Česku, které dokážou testovat vysoce ozářený materiál. Existují laboratoře, které to také částečně dovolují, ale ne v takovém měřítku a ne s tak vysoce ozářenými materiály. V Centru výzkumu Řež navíc provozujeme i dva výzkumné reaktory, které nám dovolují nejen ozařovat materiály, ale také simulovat podmínky, které by mohly panovat v budoucích elektrárnách.

Které zajímavé materiály zdejší laboratoří v poslední době prošly?

Současní vědci vkládají velké naděje například do materiálů s vysokou entropií. Měly by být vysoce korozně odolné, mít zajímavé mechanické vlastnosti a také by měly odolat vysoké radiaci. Proto jsou jedním z kandidátů na materiály použitelné k výrobě částí fúzních reaktorů.

Od fúzních reaktorů k 3D tisku

Uplatní se vámi zkoumané materiály jen v energetice, nebo i jinde?

Pokud vymyslíte dobrý materiál a ověříte jeho vlastnosti v různém prostředí, uplatnění pak může být velmi široké. Zpočátku taky nikdo nečekal, že se z duralu budou vyrábět kola. Materiálový výzkum vždycky začíná tím, že někdo chce vyřešit určitý problém a zároveň má dostatek peněz, aby výzkum dotáhl do konce, ať už je to NASA, armáda, nebo energetický průmysl. Takže konkrétně naše aplikace prvotně míří do energetiky, ale nové materiály rychle a ochotně přebírají další sektory a jejich využití může nakonec být i překvapivé.

Zkoumáte jen samotné materiály, nebo se snažíte odhalit třeba i nějaký postup, jak s materiály zacházet, ošetřovat je?

Platí to druhé. Například teď přemýšlíme, jak prodloužit životnost komponent v elektrárnách, a hodně věříme metodě Laser Shock Peening, kdy technologií laserování ošetříme povrch materiálu, čímž uzavřeme mikropraskliny a výrazně zvýšíme životnost komponenty. Výsledek je, že třeba potrubí, které by se jinak muselo vyměnit, může sloužit déle – i dalších deset let. V ekonomice provozu to znamená obrovskou úsporu nákladů. Tedy odpověď na vaši otázku zní: nevymyslíme nový materiál jako takový, ale přijdeme na finální úpravu, která bude fungovat v definovaném prostředí.

Děláte tu hodně zajímavých věcí a máte skvělé vybavení… Můžou vaše služby využít i běžné průmyslové firmy, podnikatelé?

Máme hodně svých projektů a pracujeme na řadě mezinárodních úkolů, ale souběžně s tím řešíme i problémy lokálních firem, čímž ostatně částečně pokrýváme náklady na náš výzkum. Nezabýváme se jen vlivem radiace na materiál, ale máme i velké zkušenosti s testováním mechanických nebo korozních vlastností. Proto nás oslovují i firmy, které s energetikou nemají nic společného. Nedávno se na nás obrátila jedna nemocnice, která měla problém s korodujícími trubkami, a nikdo nemohl odhalit příčinu. Nebo firma, která má součástky z titanových materiálů, které se nechovají tak, jak by měly. Výrobce trvá na tom, že materiál vyrobil správně, a tak oslovili nás, abychom zjistili, v čem je problém.

Jak se materiál zkoumá? Čeho si na něm všímáte?

Každý materiál je pro něco určen, takže už od začátku víme, co by měl vydržet. Nejdříve ho mechanicky otestujeme, abychom věděli, jak se chová. Na to se využívá řada deformačních strojů. Dalším krokem je, že se podíváme na mikrostrukturu, k tomu používáme mikroskopy – od optického přes skenovací po transmisní. To z toho důvodu, abychom viděli, jak a z čeho je materiál tvořen, co je uvnitř, jak je materiál poskládaný, jestli ho tvoří velká, nebo malá zrna. Jestli je to čistý, monokrystalický materiál, nebo naopak jde o polykrystalickou slitinu. Tím zjistíme, jaký ten materiál je. V dalším kroku se už zaměříme na vlastnosti, které od něho požadujeme. Je-li materiál určen do výrazně korozního prostředí, začneme dělat korozní testy. Pokud je určen do radiačního prostředí, vzorek dáme do reaktoru a ozáříme ho. Pak opakujeme první krok. Znovu provedeme mechanické zkoušky, znovu se podíváme na mikrostrukturu a sledujeme, co se změnilo.

A máte hotovo?

To záleží na zadání. Pokud materiál vykazuje očekávané vlastnosti, výzkum končí. Pokud je ale nesplňuje, musíme zjistit, čím to je, a navrhnout způsob, jak požadovaných vlastností dosáhnout. Může se stát i pravý opak – materiál očekávané vlastnosti výrazně předčí. I v tomto případě musíme odhalit, proč tomu tak je, a jak zjištěné skvělé vlastnosti ještě více podpořit.

Slíbil jste, že si nějaký test ukážeme přímo v praxi. Na čem tu tedy zrovna teď pracujete?

Tady si můžeme ukázat například hydraulický trhací stroj, na kterém právě testujeme materiál určený pro úložiště radioaktivního odpadu. Snažíme se najít takový materiál, který bude radioaktivnímu odpadu odolávat lépe než v současnosti známé komponenty, případně bude levnější. Podílíme se tedy na vývoji geopolymerů, které by mohly nahradit některé části z betonů. V podstatě jde o lepší kámen. K nám se dostane ve tvaru válce – je potřeba, aby tvar byl co nejpravidelnější. Ozáříme ho a pak ho vložíme do tohoto stroje, jehož základem je píst, který vložený vzorek stlačí. A sledujeme, při kterých silách a jak se začne deformovat.

Na trhací stroj se nedíváme přímo, ale přes oranžové okno. A teprve v prostoru za oknem stroj je…

Tomu prostoru za oknem říkáme horká komora, je to z anglického hot cell. Ne proto, že by v ní panovaly vysoké teploty, ale vysoká radiace. Ozářený vzorek je totiž sám radioaktivní. Chrání nás od něj půlmetrová ocelová stěna, která jakékoliv záření zachytí. Uvnitř je navíc hermetický nerezový box, který je v podtlaku, takže kdyby se ze zkoumaného materiálu uvolnila radioaktivní částice, nasaje ji aktivní vzduchotechnika, kde se odfiltruje a filtr se zlikviduje. Hermetický box a aktivní vzduchotechnika nás chrání, abychom radioaktivní prachovou částici nevdechli. Naše komory jsou postaveny tak, abychom byli schopni pracovat s materiály pro termojadernou fúzi — to budou nejvíc ozářené materiály, které je zatím lidstvo schopno vyrobit.

Užasle sleduji, jak v boxu manipulujete mechanickou rukou…

Dovnitř boxu samozřejmě nemůžu, takže pro manipulaci potřebuji nástroj. Tyto manipulátory, které ovládáme zvenčí komory, jsou velmi sofistikovaná zařízení, s trochou tréninku a šikovnosti s nimi uchopím, posunu, zapnu… vše, co je potřeba. Vrchol mistrovství je zavázat uvnitř tkaničky na botě.

Působí to tu hodně novým a moderním dojmem. Jak jsou ty horké komory staré?

Vybudovali jsme je před pěti lety v rámci česko-evropsky financovaného projektu SUSEN, což je zkratka slov SUStainable ENergy, tedy Udržitelná energetika. Výzkumná infrastruktura SUSEN je zaměřená na budoucí energetiku a nové typy reaktorů. Kolegové z ÚJV Řež mají také horké komory, ale mnohem staršího typu. Při jejich konstrukci se ještě nezohledňovaly náklady na vyřazení z provozu, likvidaci. Během projektování našich nových horkých komor jsme už s nároky likvidace kontaminovaných součástí počítali. Nakládání s radioaktivními odpady je náročné a drahé – snažili jsme se proto o co nejvíce ekologické a zároveň levné řešení. Jakkoliv jsme vycházeli z konstrukcí podobných laboratoří, naše horké komory jsou v řadě ohledů unikátní. Jako materiál jsme použili ocel, protože není porézní, takže se do ní nedostane kontaminace. Navíc je natřená pěti vrstvami barvy, které jsme schopni očistit tlakovou vodou. Po vyřazení komor z provozu tedy zdejších 2200 tun oceli nezamíří do úložiště jako radioaktivní odpad, ale do sběrny surovin – takže na tom ještě nějakou korunu vyděláme.

Za jak dlouho k tomu dojde?

V projektu jsme životnost plánovali na šedesát let, ale už teď je jasné, že to bude mnohem déle. Ostatně jaderné elektrárny také měly fungovat dvacet let – a bez problémů a zcela bezpečně jsou v provozu dosud.

Všichni víme, jaký má radioaktivita vliv na lidské zdraví. V krajním případě nás hned zabije, v mírnějším případě nám způsobí rakovinu. Co ale udělá s materiálem?

Variant vlivů na materiál je několik. Když ho vystavíte neutronům, materiál se začne chemicky měnit. Při dlouhém působení v něm vytvoříte prvky, které tam zpočátku nebyly. Další možnost je, že neutrony vyrazí atom z jeho pozice v krystalické mřížce. Ten pak začne hledat novou pozici v materiálu, zatímco po něm zůstane díra. Pokud se atom dostane na povrch, materiál bobtná. Pokud dáme do reaktoru váleček s rozměry centimetr krát centimetr, tak nám naroste. Což je samozřejmě problém, v materiálu můžou být praskliny a dutiny a zároveň vám roste. Vezměte si, že palivová tyč v reaktoru je dlouhá šest metrů. Pokud vám naroste o deset procent, je o šedesát centimetrů delší. To už může představovat velkou nepříjemnost, pokud bychom to nevěděli a neřešili. No a gama záření poškozuje chemické vazby. To je problém hlavně u polymerů.

Takže tady hledáte materiály, které se nerozpadnou, neprodlouží se?

Tomu zabránit nelze, stejně jako nezabráníte gravitaci – je to prostě fyzika a chemie. Ale můžete zařídit, aby si materiál uměl pomoct, zahojit se. Už jsme zmínili materiály s vysokou entropií. Jejich „mazanost“ je v tom, že když v nich přehodíte atomy, nebude jim to vadit. Vystrčený atom se buď dokáže do své pozice vrátit, případně se vymění s jiným atomem, což nijak nevadí. A to jsou přesně ty vlastnosti, které tady v materiálech hledáme.

Jak moc jsou Češi vynalézaví? Jak často k vám dorazí nějaký nový materiál, který je vhodný zkoumat?

Češi odjakživa byli velice vynalézaví, vždycky si dokázali pomoct. To je naše nejsilnější karta. Nemáme takové finanční prostředky, jako vědci ze západních výzkumných pracovišť, ale jsme schopní dělat vědu na velmi podobné úrovni. I s tím, co máme, jsme schopní rovnat se těm nejlepším hráčům. A jednou za čas se u nás vymyslí něco, u čeho se tají dech. A my tak pořád máme co zkoumat.

Pokud jsou Češi vynalézaví při tvorbě materiálů, určitě jsou vynalézaví i při jejich zkoumání. Podařilo se vám tady v Řeži přilákat pozornost ze světa?

Podařilo. Například pomáháme kolegům z Japonska řešit problémy jejich elektráren. Jsme totiž jediným pracovištěm na světě, které dokáže detailně studovat ozářené betony. Ve Fukušimě leží roztavené jádro na betonovém podloží a my zjišťujeme, jestli jim ten beton praskne příští středu, za čtyři roky, nebo za sto dvacet let. Podle našich výsledků to zatím vypadá na tu nejdelší variantu, takže mají dost času na vybudování nějakého robota, který tam dojede a roztavené palivo vybagruje. Nikdo živý tam vstoupit nemůže.

Jak to zkoumáte?

Japonští kolegové obešli všechny lomy, ve kterých se těžil kámen na stavbu jaderných elektráren a vyrobili z nich testovací vzorky – malé válečky o rozměrech jeden krát jeden centimetr. Na každém z nich sledujeme, jak po ozáření bobtnají. Kameny v různých místech těžby mají různé chemické složení, a proto se také pokaždé jinak chovají. A my zkoumáme, který kámen je pro betony použité v jaderných elektrárnách nejvhodnější, i to, jak se bude chovat beton ve Fukušimě.

Jsme na konci, a tak mě zajímá, jaká cifra mi svítí na dozimetru. Nic se nezměnilo, pořád mám nulu. Je vidět, že jste zdejší pracoviště postavili opravdu důkladně.

Dali jsme si záležet…