Česká energetika se dnes bez špičkového výzkumu materiálů neobejde

Centrum výzkumu Řež (CVŘ) ze Skupiny ÚJV je výzkumnou organizací, která se řadu let zabývá otázkami energetiky na úrovni aktuálních úkolů i dlouhodobých perspektiv. V současnosti řešíme prodlužování životnosti komponent energetických a průmyslových zařízení nebo stanovení kritérií pro zhodnocení zbytkové životnosti. V delším horizontu například zkoumáme, jak uskladnit použité jaderné palivo nebo čím nahradit některé komponenty, aby se životnost zařízení prodloužila. Náš materiálový výzkum směřuje do tří oblastí: odstranění nežádoucího efektu nebo podpoření (umocnění) žádoucího efektu; vytvoření nového žádoucího efektu; poznání probíhajících procesů a zjištění, na čem jsou závislé.

Většina výzkumných prací se zaměřuje na chování zvoleného materiálu za běžných nebo naopak výjimečných podmínek. Aby testy odpovídaly skutečnosti, materiál v laboratoři testujeme v podmínkách co možná nejvíce podobných realitě. Tam, kde navíc hraje roli čas, využíváme zrychlených procesů. Ty můžeme ale použít jen v případě, že jsou regulovány, víme přesně co se při nich děje, a také co a jak je ovlivňuje. V CVŘ se věnujeme především mechanickým testům a popisu mikrostruktury, popisu korozních mechanismů a toho, co je ovlivňuje a v neposlední řadě také vlivu ozáření na běžné chování materiálu.

Mechanické vlastnosti a mikrostruktura – základ materiálové vědy

U většiny zkoumaných materiálů začínáme určením mechanických vlastností a stavu mikrostruktury. K tomu se využívají deformační stroje, pomocí kterých můžeme dělat řadu testů, zaměřených na různý popis mechanického chování. Patří mezi ně například běžná zkouška na určení meze kluzu (materiál se začne plasticky, a tedy nevratně deformovat) a meze pevnosti (materiál praskne), ale i pokročilejší testy, zaměřené na dlouhodobé namáhání – testování tzv. tečení (anglicky creep), které se projevuje třeba u lopatek turbín a větrných elektráren, kdy jsou list nebo lopatka namáhány sice malou silou, ale zato po celou dobu provozu.

Opakem je zkouška cyklické únavy, kdy je těleso opakovaně zatíženo malou silou, ale po určitém počtu cyklů dojde ke zpevnění materiálu a následnému prasknutí. Tento jev lze pozorovat například u mostu, když po něm mnohokrát projede auto. Mikrostrukturu studujeme pomocí mikroskopů. Základní hodnocení se provádí pomocí světelného mikroskopu, pokročilejší pozorování provádíme nejčastěji na elektronovém skenovacím mikroskopu, který pomůže určit třeba složení materiálu na lomové ploše nebo velikost a orientaci zrn. Pro nejpokročilejší pozorování je nutné použít transmisní elektronový mikroskop, kde pozorujeme jevy na úrovni mezirovinných vzdáleností, nebo, v případě atomárního mikroskopu, až řetízky atomů.

Pomocí sledování materiálu v takzvaném základním stavu (tedy před korozními testy nebo ozářením) popíšeme chování materiálu za běžných podmínek. Následují testy, kdy je materiál vystaven chladicím médiím, záření, cyklickým zatížením nebo zahřátí na vysokou teplotu, dojde ke změně a je tedy nutné celou sérii předchozích testů opakovat. Ze změny chování materiálu pak dál usuzujeme, proč se tomu tak děje a jaké parametry míru změny ovlivňují. Můžeme tedy říct, že popis mechanických vlastností a popis mikrostruktury jsou jedny z hlavních měření, bez kterých by se materiálové vědy neobešly.

Koroze v různých prostředích

Korozní procesy probíhají na jakémkoliv povrchu materiálu, který je vystaven plynnému nebo kapalnému prostředí. Během koroze dochází k interakci (chemické reakci) mezi povrchem a daným prostředím. Existují případy, kdy k reakci nedojde, ale to je spíše výjimka. Při chemické reakci je povrch materiálu narušován (materiál ubývá) a tvoří se na něm korozní produkty (například oxidy železa při rezavění). Tyto se mohou spojovat do vrstev a často dochází i k vytvoření kompaktní vrstvy na povrchu materiálu. V takovém případně materiál přestane korodovat, protože korozní médium není schopné se přes vzniklou vrstvu dostat, reakce tedy nepokračuje. Tomuto procesu se říká pasivace. Známým příkladem je vytvoření měděnky na měděné střeše kostela. Pokud ji očistíme, odstraníme pasivační vrstvu, koroze se obnoví. Budeme-li měděnou střechu neustále čistit, koroze ji nevratně poškodí. To, jak a jakou rychlostí proces probíhá záleží na složení materiálu, korozních vlastnostech média (jak dobře reaguje s daným materiálem) a jak dobře tvoří materiál korozní vrstvy. Ukázkovým příkladem je rezivění železného povrchu ve vodném prostředí (třeba na dešti), kdy se povrch železa mění na oxidickou vrstvu, ta neustále praská a odpadá, a proto koroze pokračuje.

Korozi můžeme rozdělit na korozi ve vodním a v ostatních prostředích. Vodní korozi ovlivňuje hlavně chemické složení vody (kyseliny nebo chloridy korozi výrazně podporují), teplota a tlak vodního prostředí, tvar povrchu materiálu (rovný a vyleštěný povrch je více odolný) a další parametry (např. rychlost proudění prostředí). Častým tématem zkoumání v praxi je například korozní praskání lopatek turbín ve vodní páře. Pokud jsou korozní procesy dobře popsány, dají se urychlovat pomocí koncentrací látek ve vodě nebo teplotou. Je tedy možné provádět například urychlené testy, kdy během 1 000hodinového nebo 3 000hodinového expozičního testu dosáhneme stejného stavu jako za 30 let života lopatky v provozu parní turbíny. Proto také nejprve zkoumáme základní mechanismy koroze, jejich závislost na vnějších podmínkách, a teprve pak přistupujeme ke zrychleným testům. Oblast koroze ve vodním prostředí je jednou z nejvíce probádaných odvětví koroze vůbec. Dalším významným parametrem, který se podařilo popsat, je vliv mechanického napětí v materiálu na jeho korozi. Jedná se o takzvané korozní praskání materiálu, kdy je mechanické namáhání materiálu spojeno s korozí na povrchu. Často tak dochází k nežádoucímu efektu, který výrazně sníží životnost komponenty. Příkladem je praskání trupu lodí určených do sladkovodních řek při jejich nasazení na moři. Nejjednodušším řešením většinou bývá změna (úprava) média nebo vhodná volba materiálu.

Koroze v ostatních médiích je převážně zaměřena na chladicí okruhy, které využívají například plynná média (CO₂, He, N₂…) nebo média kapalná (taveniny fluoridových solí, tekuté kovy Na, Pb, PbLi…). V těchto případech musíme v rámci materiálového výzkumu postavit speciální aparatury na vytvoření správných podmínek pro expozici materiálu. Jedná se o statické tanky, kde se médium nepohybuje, ale má stejné chemické a fyzikální parametry. Pokud se médium pohybuje, musí být cyklus uzavřen a jedná se o takzvané smyčky. Konstrukce smyček je poměrně nákladná, korozní zkoumání nových materiálů proto začíná ve statických tancích a, až po ověření dostatečné korozní odolnosti, se materiál testuje ve smyčkách. Zde je většinou složení média dané a není možné ho měnit, proto se takový výzkum zaměřuje na vývoj materiálu nebo vytvoření ochranných vrstev. Nejznámější a také nejpoužívanější ochrannou vrstvou je nátěr barvou nebo galvanické pokovení povrchu. V chladicích smyčkách se většinou využívá sofistikovanějších metod, jako třeba napařování ochranných vrstev.

Ozáření materiálu je třešničkou na výzkumné pyramidě

Důležitou oblastí, kterou na materiálu také zkoumáme, je vliv ozáření. K tomuto účelu lze využít urychlovač částic (např. protonů nebo iontů), výzkumný reaktor nebo dokonce jaderný reaktor v elektrárně. V Centru výzkumu Řež máme k dispozici výzkumný reaktor LVR-15, který nám umožňuje provádět definované ozáření materiálu pomocí gama záření a neutronů. Další testování ale ztěžuje aktivace materiálu ozářením, ten se pak sám stane zdrojem záření. Následné testy proto musíme provádět ve velmi speciálním prostředí tzv. horkých komor. Toto technologické zařízení chrání pracovníky při práci silnou zdí z oceli a aktivní vzduchotechnikou. Komory jsou vybaveny sofistikovanými mechanickými manipulátory pro ovládání přístrojů a manipulaci s materiálem a také měřicími přístroji speciálně upravenými pro dané prostředí.

Vzhledem k náročnosti ozařovacích experimentů se většinou jedná o poslední krok v testování. Materiál je tedy mechanicky a korozně otestován, pak jsou vyrobené vzorky ozářeny v reaktoru a opět testovány v horkých komorách. Získáme tak komplexní popis chování materiálu z pohledu mechanického a také korozního chování za vlivu radiace.

Hmatatelnými výsledky materiálového výzkumu jsme obklopeni

Moderní výzkum chování materiálů a vývoj výroby nových materiálů by se bez špičkových výzkumných středisek jako je Centrum výzkumu Řež neobešel. Už si ani neuvědomujeme, jak moc jsme obklopeni moderními (pro nás už běžnými) materiály jako jsou kompozity (letadla, auta, kola, ochranné pomůcky…), karbonová vlákna (auta, kola, lodě, kajaky…) nebo ultra-jemnozrnné materiály (zubní a kloubní náhrady, motory letadel…), které nám život nejen ulehčují, ale jsou jeho nezbytnou součástí. A každý takový revoluční materiál byl objeven a testován v podobném centru, jako je to naše. I z tohoto důvodu je podpora materiálového výzkumu stále, a čím dál více důležitá.

RNDr. ONDŘEJ SRBA, Ph.D.
Centrum výzkumu Řež, Skupina ÚJV