Kontakt:  doc. Ing. Jan Macák, CSc. -  doc. RNDr. Petr Sajdl, CSc. -  Ing. Mariana Arnoult Růžičková, Ph.D. -  Ing. Jana Rejková, Ph.D. -  Ing. Ivo Jiříček, CSc.

Výzkum v oblasti pokročilých materiálů pro energetiku je na Ústavu energetiky VŠCHT zaměřen na stávající i budoucí perspektivní energetické systémy. Ve spolupráci s UJP Zbraslav jsou studovány například inovativní slitiny zirkonia, sloužící jako pokrytí jaderného paliva. Tyto slitiny představují významný prvek v systému bezpečnosti provozu jaderných reaktorů. Experimentální zařízení vyvinuté na Ústavu energetiky umožňuje například pomocí elektrochemické metodiky určit okamžitou korozní rychlost těchto materiálů in-situ, tedy za podmínek simulujících teplotu, tlak a chemický režim jaderného reaktoru VVER. Tuto metodiku využíváme ke zjištění ochranných schopností vrstvy oxidu zirkoničitého, například v prostředí obsahujícím lithné ionty. Lithné ionty vznikají během provozu reaktorů VVER radiolyticky a mají určité agresivní korozní účinky vůči pokrytí paliva. Další experimentální metodika, kterou vyvíjíme, spočívá v expozici vzorků slitin zirkonia v prostředí izotopicky čištěné vody, obsahující izotop kyslíku ¹⁸O. Vzhledem ke značně vysoké ceně tohoto media byla vyvinuta aparatura o malém objemu (přibližně 3 cm³). Pronikání kyslíku po hranicích zrn oxidu zirkoničitého lze následně zachytit pomocí metody IBA (Ion Beam Analysis). V této oblasti úzce spolupracujeme s Ústavem jaderné fyziky Akademie věd, kde následné analýzy probíhají na urychlovači částic Tandetron.

Zkoumáme rovněž možnost zpomalení degradace vlivem prostředí reaktoru aplikací inovativních, velmi tenkých povlaků na materiály pokrytí paliva.  Ty by mohly pomoci zpomalit korozní děje za normálního provozu reaktoru a přispět tak k dosažení vyššího stupně vyhoření paliva, a tím vyšší efektivity provozu. A ještě důležitější roli by mohly hrát při výjimečných situacích, například potlačením tvorby vodíku během korozní reakce povlaku paliva s vodní párou za velmi vysokých teplot. Tím by byla redukována možnost toho, co se stalo ve Fukušimě po poruše systému chlazení rektoru v důsledku zemětřesení v roce 2011, tedy výbuchu vodíku se všemi tragickými následky. V této oblasti spolupracujeme například s Fyzikálním ústavem Akademie věd, kde byly navrženy některé z těchto povlaků, s Ústavem energetiky ČVUT a s Ústavem fyzikální chemie AV.

Od energetických systémů budoucnosti, zejména pokud budou pracovat s neobnovitelnými zdroji energie, se bude vyžadovat co nejvyšší termická účinnost přeměny energií. To je nutně spojeno s provozem za vyšších teplot a nese to s sebou významně vyšší nároky na konstrukční materiály těchto zařízení. V oblasti budoucích perspektiv je materiálový výzkum na Ústavu energetiky VŠCHT zaměřen na některé z materiálových problémů ve dvou konceptech reaktorů takzvané IV. generace.  Prvním typem je SCWR (Supercritical Water Reactor). U tohoto typu bude chladivem voda, obdobně jako u současných lehkovodních reaktorů, ovšem za nadkritických parametrů, tedy za tlaku nad 22 MPa a za teplot podstatně vyšších než je kritická teplota vody, tj. 374 °C (pro srovnání – nejvyšší teplota chladící vody ve stávajících typech tlakovodních reaktorů většinou nepřesahuje 325°C a tlak 16 MPa). Prostředí z korozního hlediska to bude velmi drsné. Určitou základní indikaci kam směřovat při výběru materiálů pro SCWR přináší provoz nadkritických uhelných elektráren (u nás je to 660 MW blok v Ledvicích), v nadkritickém vodním reaktoru bude ovšem situace ztížena silnou radiací. Zatím se výzkum ubírá směrem k vysoce legovaným ocelím a slitinám na bázi niklu. Experimentální výzkum se rozbíhá rovněž v oblasti konceptu rychlého reaktoru chlazeného tekutým olovem LFR (Lead-cooled Fast Reactor), který by kromě efektivní výroby elektrické energie umožnoval i recyklaci vyhořelého jaderného paliva. Koncepce LFR je známá ze sovětských ponorek třídy Alfa ze 70-80 let minulého století. I zde se setkáváme s vysokou materiálovou náročností, neboť tekuté olovo vykazuje značnou korozní agresivitu vůči konstrukčním ocelím. Jak austenitické tak ferriticko-martenzitické oceli jsou za zvýšených teplot (350-550 °C) náchylné k postupné degradaci až přímému rozpouštění. Pokročilé materiály, uvažované pro tento typ použití, mohou být například oxidy disperzně zpevněné oceli (Oxide Dispersion Strengthened - ODS) a slitiny železa, chromu a hliníku (FeCrAl). Naopak nikl obsahující slitiny se jeví jako nevhodné, vzhledem k vysoké rozpustnosti niklu v roztaveném olovu. Obecně však platí, že korozní odolnost závisí na vzniku stabilní oxidické vrstvy, která brání přímému kontaktu oceli s tekutým olovem. Ke vzniku a udržení stabilní oxidické vrstvy může ale dojít pouze za určité koncentrace rozpuštěného kyslíku v olovu. Koncentrace kyslíku zároveň nesmí překročit mezní hodnotu pro vznik a precipitaci oxidů olova v tavenině. Snahou tedy je udržet koncentraci kyslíku v takovém rozmezí, kde budou oba negativní děje (tedy rozpouštění oceli v olovu a na druhé straně oxidace olova) minimalizovány, což mají umožnit kyslíkové senzory založené na membráně z oxidu zirkoničitého s  příměsí oxidu yttritého (YSZ – Yttrium Stabilized Zirconia). I v této oblasti bychom rádi využili in-situ měření, založená například na impedanční spektroskopii. Našimi hlavními partnery jsou Centrum výzkumu Řež a Joint Research Center v holandském Pettenu. Na všech oblastech výzkumu se významně podílejí naši mladší kolegové, tedy studenti bakalářského, magisterského a zejména doktorského studijního programu.

Z hlediska aplikovaných metod lze vědecko-výzkumnou činnost v oblasti elektrochemie, protikorozní ochrany a materiálů rozdělit do tří skupin

• korozní testy, korozní praskání a únava
• studium korozního chování kovů elektrochemickými metodami
• geneze a morfologie oxidických vrstev, povrchová analýza

Z pohledu konkrétních řešených problematik lze v současnosti výzkum rozdělit do následujících tématických okruhů.

• studium koroze in-situ ve vysokoteplotních systémech
• vývoj a laboratorní testování inhibitorů koroze
• ochranné vrstvy na bázi PVD a elektropolymerů
• korozní chování kovových materiálů v podkritické a nadkritické vodě
• rozbor turbinových nánosů

Korozní testy, korozní praskání a únava

Kontakt: doc. RNDr. Petr Sajdl, CSc.  -  Ing. Ivo Jiříček, CSc.

Korozní únava, korozní praskání a vysokoteplotní koroze v chemicky různě agresivním prostředí (od demineralizované a odkysličené vody až po horké a koncentrované roztoky kyselin, louhů, solí a tavenin). SSRT, S-N křivky, životnostní diagramy, elektrochemické testy a testy ponorem.

Studium korozního chování kovů elektrochemickými metodami

Kontakt: doc. Ing. Jan Macák, CSc. - Ing. Mariana Arnoult Růžičková, Ph.D.

Studium korozního chování kovů pomocí elektrochemických metod. Vývoj moderních elektrochemických metod (elektrochemický šum a elektrochemická impedanční spektroskopie), aplikace těchto metod při in-situ studiu v podmínkách autoklávů (vysoké teploty a tlaky) i při ex-situ analýze exponovaných vzorků.

Geneze a morfologie oxidických vrstev, povrchová analýza

Kontakt: doc. RNDr. Petr Sajdl, CSc.

Expozice a následná analýza vzorků kovových materiálů. Zejména se jedná o korozivzdorné oceli a niklové slitiny, ale zkoumány jsou i další typy materiálů. Materiály jsou exponovány v podmínkách vysokých teplot (až 600°C) a tlaků (až 30MPa) v prostředí vody, resp. vodní páry, s různým obsahem kyslíku (od <10ppb) a případně dalších dopantů (soli, kyseliny, hydroxidy). Růst oxidických vrstev na povrchu vzorků je studován in-situ elektrochemickými metodami (elektrochemická impedanční spektroskopie a elektrochemický šum) a ex-situ dále opticky a metalograficky a povrchová analýza je prováděna pomocí ESCA (včetně koncentračních hloubkových profilů).

Studium koroze in-situ ve vysokoteplotních systémech

Kontakt: doc.RNDr. Petr Sajdl, CSc.  -  doc.Ing. Jan Macák, CSc.  -  Ing. Jana Rejková, Ph.D.

Na ústavu energetiky byl vyvinut měřící systém umožňující sledování elektrochemických parametrů za podmínek simulujících situaci ve vysokotlakých a vysokoteplotních energetických okruzích. Prováděné experimenty se týkají korozní problematiky jak primárních okruhů JE (koroze slitin zirkonia) tak i sekundárních okruhů (koroze materiálů parogenerátoru). Pro charakterizaci korozního chování jsou používány metody měření elektrochemického šumu, impedanční spektroskopie, měření polarizačních křivek a Mott-Schotkyho závislostí.

Vývoj a laboratorní testování inhibitorů koroze

Kontakt: doc. Ing. Jan Macák, CSc.

Pro řadu korozních systémů je použití inhibitorů koroze nejsnáze realizovatelnou a nejekonomičtější cestou brždění koroze. Cílem je vyvíjet a testovat inhibitory pro široké spektrum prostředí, například pro podzemní zásobníky plynu, pro těžbu, dopravu a transport živic, pro atmosférickou destilaci ropy, pro chladící a teplosměnná media na bázi glykolů, pro rozmrazovací prostředky, pro chladící okruhy a rozvody TUV, pro výrobu a distribuci koagulačních prostředků atd. Výběr a vývoj vhodného inhibitoru vychází ze znalosti interakce daného prostředí s chráněným materiálem, tedy typu korozního napadení. Navrhované inhibitory jsou testovány vhodnými elektrochemickými technikami (například LPR, EIS, potenciodynamickými polarizačními technikami atd.).

Ochranné vrstvy na bázi PVD a elektropolymerů

Kontakt: Ing. Ivo Jiříček, CSc.  -  doc. Ing. Jan Macák, CSc. 

Jednou z možností antikorozní ochrany ocelí je použití ochranných povlaků na bázi PVD a elektropolymerů (polypyrrol a polyanilín). V rámci výzkumu je sledována protikorozní ochranná schopnost vrstev na bázi karbidů, nitridů a karbonitridů chromu, titanu a zirkonia. Zásadním problémem se zdá být jejich porozita a elektrochemicky vyšší ušlechtilost vůči podkladu z běžných nelegovaných ocelí. Porozita a následná náchylnost k lokálnímu koroznímu napadení PVD vrstev jsou sledovány impedanční spektroskopií. Rovněž jsou prováděny tahové experimenty (SSRT) a následné metalografické posouzení vzorků.

Rozbor turbinových nánosů

Kontakt: Ing. Ivo Jiříček, CSc.

Rozbor turbínových nánosů z provozu, identifikace zdrojů a příčin jejich ukládání, lokalizace a korelace s provozními lomy na turbínách, chemický vliv úsad při jejich smočení během odstávky a přechodových režimů na nízkolegované a chromové oceli turbín, prostředky k minimalizaci jejich ukládání v turbinách.