Polykrystalická diamantová vrstva: vhodná ochrana povrchu zirkoniových slitin?

A. Krausová, M. Novák, J. Macák, I. Kratochvílová
2015 Koroze a Ochrana Materialu  
50 Czech AssociaƟon of Corrosion Engineers ÚVOD Slitiny zirkonia Zr-Nb, Zr-Sn, Zr-Sn-Nb se používají již více než 60 let jako povlakový materiál palivových tyčí ve vodou chlazených jaderných reaktorech. Představují v zásadě první bariéru proti úniku štěpných produktů do okolního prostředí. I přes řadu vynikajících vlastností jako je nízký účinný průřez pro záchyt tepelných neutronů, vysoká tvrdost, tažnost a relativně dobrá korozní odolnost, vykazují rovněž značnou nevýhodu. Při vysokých
more » ... ch mohou slitiny zirkonia reagovat s vodní parou, a vytvářet tak vodík. Ten může být transportován oxidickou vrstvou zirkonia a posléze být absorbován kovem. V něm pak může vytvářet hydridy, které mají na slitiny zirkonia velmi negativní efekt: snižují pevnost, tažnost a způsobují křehnutí slitin [1, 2] . Kromě toho může zvýšená produkce plynného vodíku vést v případě havárií typu LOCA (Loss of Coolant Accident) až k výbušné reakci [3] . K takové explozi došlo v roce 2011 v jaderné elektrárně Fukušima [4, 5] . Zvýšená odolnost zirkoniových slitin proti vysokoteplotní korozi a navodíkování je tedy aktuální klíčovou otázkou nejen z hlediska rostoucích požadavků na prodloužení kampaně jaderného paliva, ale zejména z hlediska bezpečnosti. Snížení chemické reaktivity zirkoniových slitin a zvýšení odolnosti vůči navodíkování by mohlo být dosaženo díky ochrannému povlaku zirkoniových slitin. Jako vhodné řešení se ukazuje použití povlaku na bázi diamantu. Polykrystalická diamantová vrstva odolává vysokým teplotám, má vysokou tepelnou vodivost, stabilitu, nízkou chemickou reaktivitu a nízký účinný průřez pro záchyt tepelných neutronů [6, 7] . PCD vrstva obsahuje jak krystalická diamantová zrna (sp 3 ), tak amorfní uhlíkovou fázi (sp 2 ), jejíž pružnost zabezpečuje integritu ochranné vrstvy [8] . Polykrystalická diamantová vrstva (PCD) se jeví jako vhodná ochrana pro snížení chemické reaktivity zirkoniových slitin. Její aplikací by mohlo dojít k výraznému zvýšení odolnosti zirkonia proti vysokoteplotní korozi a rovněž vůči navodíkování. V této práci jsou zkoumány vzorky slitiny zirkonia Zry-2, které byly pokryty 300 nm tenkou vrstvou PCD a pre--exponovány v páře o teplotách 950 a 1150 °C. Pomocí ex-situ elektrochemické impedanční spektroskopie jsou studovány přenosové parametry a morfologie PCD vrstvy. Výsledky ukazují, že vzorky slitiny zirkonia Zry-2, které byly pokryty PCD vrstvou, korodují za vysokých teplot s nižší korozní rychlostí. The polycrystalline diamond layer (PCD) seems to be an appropriate protection reducing chemical activity of zirconium alloys. Its application could substantially enhance zirconium resistance against high-temperature corrosion and hydrogen absorption. This paper studies samples of zirconium alloys Zry-2 covered with a thin 300-nm PCD layer and exposed to steam at temperatures of 950 and 1150 °C. Transmission parameters and PCD layer morphology are studied using ex-situ electrochemical impedance spectroscopy. The results imply that the corrosion rate of the Zry-2 zirconium alloy is lower under high temperature.
doi:10.1515/kom-2015-0012 fatcat:mfhthfdl5rgnzjbrluvofq6iqu