Vývoj a testování geopolymerů – materiál budoucnosti pro jaderné elektrárny, SMR a úložiště RAO

Geopolymery představují nová a inovativní řešení konstrukčních prvků, díky kterým lze nahradit cementový beton materiálem na geopolymerní bázi s vysokou chemickou odolností, tepelnou stabilitou a nízkým environmentálním dopadem. Tyto vlastnosti je činí ideálními kandidáty pro využití v jaderné energetice, zejména v aplikacích spojených s jadernými elektrárnami (JE), malými modulárními reaktory (SMR) a nakládání s radioaktivními odpady (mimo jiné v souvislosti s použitím v hlubinném úložišti RAO). CVŘ se intenzivně věnuje vývoji a testování geopolymerů, a kromě materiálových vlastností se zabývá také výzvami spojenými s jejich zaváděním do praxe.

Úvod
V současné době je beton (nebo obecně materiály na cementové bázi) nejpoužívanějším konstrukčním materiálem moderního stavitelství. Jeho přínos pro pozemní a inženýrské stavby je zásadní. Významnou oblastí využití betonu se stala jaderná energetika, kterou beton provází od počátku výstavby jaderných zařízení, během jejich provozu a následně vyřazení spojeného s nakládáním s radioaktivním materiálem. Vzhledem k vysokým nárokům na bezpečnost jaderných zařízení a nutnosti prodlužování životnosti současných jaderných elektráren (a zároveň i predikci pro nová jaderná zařízení – nové JE, SMR i plánované hlubinné úložiště vyhořelého jaderného paliva včetně vysoko a středněaktivních odpadů) je nezbytné ověřit dlouhodobou životnost a zajistit používání materiálů vykazujících co nejlepší vlastnosti. 

Vzhledem k tomu, že je beton v některých částech JE vystavován extrémním podmínkám, které mohou mít z dlouhodobého hlediska vliv na jeho degradaci, nabízí se otázka, zda by nebylo možné beton v některých případech (nyní zejména při výstavbě nových zařízení) nahradit jiným vhodnějším materiálem, který by se vyznačoval lepšími vlastnostmi z hlediska mechanické, chemické, teplotní a zejména radiační odolnosti. Pro tyto účely se proto nabízí využití skupiny inovativních kompozitních materiálů na bázi geopolymerních matric.

Využití geopolymerních matric jako pojiva je zároveň v souladu se směřováním ekologické politiky týkající se uvalování emisních povolenek. Velkým přínosem těchto materiálů je významně nižší emisní zátěž oproti betonu, který jako pojivo obsahuje portlandský cement, jehož výroba významně přispívá k celosvětové produkci oxidu uhličitého. 

Příprava geopolymerů
Geopolymer (GP) představuje anorganické polymerní materiály uměle připravované chemickou reakcí pojivové složky na bázi hlinitokřemičitanů (zejména lupek, metakaolín a jiné odpadní materiály) a vhodného plniva za normální teploty a tlaku. Pro iniciaci geopolymerní reakce je klíčová aktivace amorfního hlinitokřemičitanového prekurzoru pomocí alkalických aktivátorů (např. roztoku hydroxidu sodného, křemičitanu sodného či jejich draselných variant). Během výrobního procesu dochází k postupné tvorbě anorganické polymerní sítě tvořené vazbami Si-O-Al-O, jež vede k produkci kompaktního a stabilního materiálu. [1] Přehledné znázornění hlavních kroků přípravy GP ukazuje Obrázek 1.

Takto připravované geopolymery se vyznačují vyšší pevností a zejména vynikající teplotní odolností, a proto představují perspektivní alternativu k běžnému betonu. Nesporným přínosem geopolymerních materiálů je také možnost jako pojiva využít další odpadní produkty vznikající spalováním tuhých paliv v tepelných elektrárnách (popílek) nebo při průmyslové výrobě (např. slévárenská struska). Výběrem vhodného plniva lze dále modifikovat požadované vlastnosti GP a zaměřit přípravu finálního produktu pro konkrétní možnosti aplikace. Může se tak jednat o speciální stínicí GP, materiály s vysokou žárovzdorností [2] nebo geopolymery s nízkou alkalitou výluhu a jiné. Obrázek 2 znázorňuje GP s rozdílnými plnivy.  

Možné oblasti využití geopolymerů
Stínicí GP, radiačně odolné GP
Geopolymery představují perspektivní stavební materiály pro aplikace v oblasti jaderné energetiky, zejména při budování nových SMR či JE IV. Generace. Možné využití se nabízí zejména při výstavbě stínicích prstenců kolem tlakových nádob či aktivních zón SMR a JE, kdy právě tento materiál přináší několik zásadních výhod oproti stínicímu betonu na cementové bázi. Geopolymery lze navrhnout s vysokým obsahem těžkých prvků (např. Fe nebo Pb), čímž se zvýší jejich schopnost efektivně absorbovat gama záření (testováno pomocí HPGe detektoru) a zároveň matrice obsahuje i značný podíl krystalicky vázané vody, která moderuje rychlé neutrony. Pro zajištění účinné ochrany proti termálním neutronům lze do geopolymerní matrice také velmi dobře vmísit sklokeramiku dopovanou bórem.

Díky variabilitě a možnosti modifikovat složení podle dané aplikace, lze geopolymery využít jako multifunkční ochranný prvek kombinující radiační stínění s nosnou konstrukční funkcí. Jejich nízká pórovitost a dobrá chemická stabilita zároveň snižuje interakci s kapalinami a plynnými médii, což je důležité pro dlouhodobou spolehlivost stínicího prstence. Přidanou hodnotou je i jejich schopnost odolávat vysokým teplotám a tepelným šokům, což zvyšuje bezpečnost při havarijních stavech, kdy dochází k rychlým změnám teplotního pole.

Z hlediska radiační odolnosti hraje klíčovou roli mikrostruktura geopolymeru, zejména poměr amorfní a krystalické fáze. Vyšší podíl amorfní složky (přes 65 obj. %) vykazuje nižší tendenci k radiačně indukovanému růstu objemu (RIVE) a praskání, což prodlužuje životnost tohoto materiálu, pokud je vystaven neutronovému i gama záření. Amorfní matrice zároveň umožňuje účinnější disipaci radiačních účinků a menší vznik defektů oproti krystalické mřížce.

Z konstrukčního hlediska lze geopolymerní stínicí prstence vyrábět přímo na místě pomocí lití nebo prefabrikovaných segmentů, které se následně montují do finálního tvaru kolem reaktorového modulu. To zkracuje dobu výstavby a zjednodušuje logistiku, zejména u modulárních reaktorů, které se často instalují v náročnějších podmínkách.

GP jako obětní materiál v systému lapače coria  
Po havárii jaderné elektrárny Fukušima v roce 2011 vzrostly požadavky na zvýšení úrovně zabezpečení jaderných reaktorů pro případ těžké havárie. Jednalo se o událost, která přesáhla konstrukční a bezpečnostní limity elektrárny, což vedlo k selhání materiálů, konstrukčních prvků i bezpečnostních systémů. Zatímco některé novější reaktory generace III a III+ jsou již vybaveny systémy pro zachycení taveniny paliva („core catcher“), ve Fukušimě takové zařízení součástí konstrukce nebylo.
Systém lapače coria představuje bezpečnostní zařízení jaderného reaktoru určené k zachycení taveniny aktivní zóny v případě těžké havárie. Corium tvoří směs roztaveného jaderného paliva, jeho obalových materiálů a konstrukčních prvků aktivní zóny. Core catcher se skládá z nosné konstrukce a obětního materiálu, který jako první přichází do kontaktu s coriem. Hlavní funkcí obětní vrstvy je zachytit a ochladit roztavené corium, udržet podkritický stav štěpného materiálu a zároveň zabránit úniku radioaktivních látek mimo kontejnmentovou budovu reaktoru.

Geopolymer se díky svým modifikovatelným vlastnostem, tepelné odolnosti a chemické stabilitě jeví jako vhodný kandidát pro obětní materiál tohoto systému. Experimenty ukázaly, že teplotní stabilita geopolymeru doplněného různými plnivy pro zlepšení jeho vlastností (Al2O3, MgO, Ca3(PO4)2, Fe2O3) přesahuje 1 100 °C. Průběh experimentu pro plnivo MgO znázorňuje Obrázek 3. Materiál s tímto plnivem dosahoval maximální teplotní stability při 1 350ºC.

Zároveň byla experimentálně ověřena i interakce geopolymeru s roztaveným coriem, jak je znázorněno na obrázku 4. Výsledky interakce roztaveného coria s geopolymerem (Obrázek 4) ukázaly, že geopolymerní materiál zůstal stabilní i po kontaktu s taveninou o teplotě přibližně 2 000 °C [2]. Vzhledem k tomu, že u obětních materiálů není možné provést ověření jejich chování v reálných provozních podmínkách, představují experimentální výsledky klíčový zdroj informací. Tyto výsledky slouží jako vstupní data pro numerické modelování, které umožňuje simulovat chování materiálů v podmínkách, jež nelze přímo testovat. Modelování dlouhodobého teplotního chování tak poskytuje cenný nástroj pro predikci, optimalizaci návrhu a posouzení spolehlivosti obětních systémů v různých scénářích zatížení. 

Chemická odolnost GP v prostředí H3BO3
Betony používané v jaderné energetice se musí vyznačovat odolností vůči působení chemických látek především v oblasti v kontejnmentu tlakovodních reaktorů v bazénech skladování VJP. Betonové bazény pro skladování VJP jsou naplněné roztokem kyseliny borité (H3BO3) a z vnitřní části oblícované ocelovou vložkou, která by měla bránit přímému kontaktu mezi betonem a roztokem H3BO3. V některých místech může docházet k zatékání roztoku za ocelovou vložku a koncentrování tohoto roztoku v přímém kontaktu s betonem a tím jeho postupnému narušení. Na stávajících zařízeních lze míru degradace betonu pouze odhadovat z množství uniklého roztoku H3BO3, vzhledem k nemožnosti přímé kontroly. Dalším problematickým místem v kontejnmentu mohou být kontrolované výpusti roztoku chladícího média H3BO3.

V rámci výzkumných projektů jsme se zaměřili na ověření odolnosti geopolymerního materiálu v prostředí   H3BO3. Pro tyto účely byly provedeny experimenty porovnávající odolnost cementové a geopolymerní matrice v prostředí H3BO3 o koncentraci 12 g/l a teplotě 40 °C simulující podmínky bazénů skladování VJP. Vzorky byly dlouhodobě vystaveny působení roztoku H3BO3 za dynamické nerovnováhy koncentrace. Po ukončení experimentů byl hodnocen jejich stav z hlediska vizuálního vzhledu, mechanické pevnosti (Obrázek 5) pomocí SEM a RTG difrakce.

Výsledky experimentu probíhající za extrémních podmínek v roztoku H3BO3 ukázaly, že vzorek betonu degradoval výrazně rychleji oproti vzorku GP, změny byly patrné 
i pouhým okem (Obrázek 6)

GP pro nakládání s RAO – HÚ (nízkoalkalický geopolymer) 
Dalším tématem je výzkum spojený s přípravou výstavby hlubinného úložiště pro ukládání VJP, vysokoaktivních odpadů a středněaktivních odpadů nepřijatelných do přípovrchových úložišť. Bezpečnost hlubinného úložiště je ve své podzemní části zajištěná komplexním multibariérovým systémem sestávajícím z přírodních a inženýrských bariér, zajišťujících ochranu životního prostředí. Důležitou částí inženýrských bariér je oblast tzv. bufferu a backfillu. Buffer představuje tlumící a těsnicí bariéru tvořenou bentonitem ve formě tvárnic a pelet sloužící pro ochranu ukládacího obalového souboru (ÚOS) s radioaktivním materiálem, která brání úniku radionuklidů v případě porušení ÚOS. Backfill (tvořený výplní z peletizovaného bentonitu) slouží k vyplnění ukládacích chodeb a tím k jejich utěsnění, dále brání možnému nežádoucímu vybobtnání bufferu. Bentonit, jako hlavní těsnicí materiál inženýrského bariérového systému, musí být dále doplněn konstrukčními prvky z pevnějšího materiálu. V aktuálním konceptu výstavby HÚ je tato funkce zastoupena použitím betonu, který je navržen jako hlavní součást zátek (inženýrských komponent, sloužících pro uzavírání zaplněných ukládácích chodeb, ukládácích komor a páteřních částí úložiště). Další použití zátek je uvažováno pro nutné oddělení míst s tektonickými poruchami matečné horniny. 
Samotná zátka je navržena formou betonových tvárnic (ztracené bednění) a těla zátky ze stříkaného nebo monolitického betonu. V případě zátky ukládací chodby (Obrázek 7) dochází k přímému kontaktu betonu a bentonitu, který je velmi náchylný na vysoké pH prostředí, ve kterém se nachází. Klasický beton na bázi portlandského cementu poskytuje vodné výluhy s pH >12, které negativně ovlivňují funkčnost bentonitové tlumící bariéry. Vysoké pH může ovlivňovat bobtnací kapacitu bentonitu, která je nezbytná pro funkčnost těsnicí bariéry. V bentonitu při těchto podmínkách dochází k rozpouštění montmorillonitu a tvorbě nových minerálních fází a tím k degradaci této inženýrské bariéry. Proto je nutné používat tzv. nízkoalkalický beton (s pH výluhy <11). 
Využití betonu bylo také uvažováno v místě uzavření ukládacího vrtu formou uzavírací zátky, ale z důvodu velké pravděpodobnosti možného ovlivnění bentonitové výplně se nyní uvažuje o prohloubení úložných vrtů a použití tzv. distančního bloku tvořeného vyšší vrstvou bentonitové výplně. [4]

Z výše zmiňovaných příkladů vyplývá, že příprava nízkoalkalického betonu s požadovanými vlastnostmi není jednoduchá, dosud nebyl finální materiál navržen. Z tohoto důvodu byla v Centru Výzkumu Řež navržena varianta geopolymeru, která se jeví jako zcela vhodná alternativa pro účely využití v HÚ.  

Jedním z klíčových aspektů efektivního utěsnění zátek v HÚ není pouze volba vhodného materiálu pro tělo zátky, ale také kvalitní vyplnění jejího okolí, které musí těsně přiléhat k horninovému masivu. Tato kontaktní zóna, spolu s puklinami vzniklými při ražbě chodeb, představuje kritické oblasti z hlediska dlouhodobé bezpečnosti celého ukládacího systému. Přestože se této problematice dosud nevěnuje dostatečná pozornost, s blížící se realizací hlubinného úložiště bude nezbytné ji systematicky řešit. Geopolymery se v tomto kontextu jeví jako velmi perspektivní materiál, a to díky své schopnosti výborně přilnout k různým typům podkladů. Tato vlastnost je klíčová nejen pro utěsnění nových konstrukcí, ale také pro sanaci stávajících betonových struktur či aplikaci ochranných geopolymerních nátěrů, které mohou přispět k prodloužení životnosti a zvýšení odolnosti vůči agresivnímu prostředí.

Závěr
Geopolymery se ukazují jako perspektivní náhrada cementového betonu v aplikacích jaderné energetiky a nakládání s radioaktivními odpady. Jejich hlavními přednostmi jsou vysoká chemická a tepelná odolnost, radiační stabilita a nižší ekologická zátěž spojená s jejich výrobou. Výsledky experimentů jasně prokázaly vyšší odolnost geopolymerů vůči prostředí kyseliny borité a jejich vhodnost pro konstrukční prvky, kde běžný beton degraduje. Díky variabilitě složení lze navíc jejich vlastnosti cíleně přizpůsobit konkrétním požadavkům, ať už jde o radiační stínění, dlouhodobou životnost nebo kompatibilitu s inženýrskými bariérami hlubinného úložiště.

Vývoj geopolymerů pro jaderný průmysl s sebou přináší řadu výzev, zejména v oblasti certifikace, dlouhodobého testování a zapojení do přísně regulovaných procesů. Dosavadní výsledky však potvrzují jejich potenciál stát se klíčovým materiálem pro novou generaci jaderných zařízení i pro bezpečné ukládání vysoce aktivních odpadů. Pokračující výzkum v této oblasti proto představuje důležitý krok nejen k posílení bezpečnosti a spolehlivosti jaderné infrastruktury, ale také k naplňování cílů udržitelného rozvoje a snižování emisní stopy stavebních materiálů.

Mgr. Kamil Sobek, Ph.D., Ing. Tomáš Černoušek, Ph.D., Mgr. Hana Kovářová, Karin Křížová, Mgr. David Zoul, Ing. Petra Gávelová a RNDr. Ondřej Srba, Ph.D.
Centrum výzkumu Řež s.r.o.

Poděkování
Prezentované výsledky byly realizovány v rámci Institucionální podpory Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. Prezentované výsledky byly získány s využitím infrastruktury CICRR, která je finančně podpořena Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy – projekt LM2023041.

Literatura

• LIEW, Yun-Ming, HEAH, Cheng-Yong, AL BAKRI, Mohd Mustafa, KAMARUDIN, Hussin. Structure and properties of clay-based geopolymer cements: a review. Progress in Materials Science, October 2016, vol. 83, p. 595-629, doi:10.1016/j.pmatsci.2016.08.002.
• MÉSZÁROS, Bence, HRBEK, Jan, PAUKOV, Mykhaylo, ČERNÝ, Zbyněk, ROSYPAL, Pavlína, KOMRSKA, Jan, TYRPEKL, Václav. Refractory geopolymers: Thermal shock resistant material for nuclear safety. Nuclear Engineering and Design, March 2024, vol. 418, doi: 10.1016/j.nucengdes.2024.112918.
• ČERNÝ, Zbyněk, ČERNOUŠEK, Tomáš, VÁCHA, Petr, SIHELSKÁ, Kristína, TYRPEKL, Václav. Development of geopolymer based sacrificial materials for GEN IV severe accident mitigation. Journal of Nuclear Materials, September 2021, vol. 553, doi: 10.1016/j.jnucmat.2021.153024.
• HAUSMANNOVÁ, Lucie a kolektiv. Technické řešení hlubinného úložiště 2025. Praha, 2025, technická zpráva, SÚRAO TZ 848/2025.

Development and Testing of Geopolymers – The Material of the Future for NPP, SmR and RWM 
Geopolymers represent a new and innovative solution for structural elements, enabling the chemical replacement of cement concrete with a geopolymer-based material that offers high chemical resistance, thermal stability, and a low environmental impact. These properties make them ideal candidates for use in nuclear energy, especially in applications related to nuclear power plants (NPPs), small modular reactors (SMRs) and radioactive waste management (RWM). CVR is intensively engaged in the development and testing of geopolymers, addressing not only material properties but also the challenges associated with their implementation in practice.