Nazwa Projektu: Wpływ naprężeń i stechiometrii na kinetykę utleniania stopów cyrkonu

Budżet Projektu: 130 500 PLN

Czas trwania projektu: 03.02.2025 - 02.02.2027

Kierownik Projektu: mgr inż. Kinga Suchorab

Opis Projektu:

Rosnące globalnie zapotrzebowanie na energię elektryczną, przy jednoczesnej konieczności ograniczania emisji gazów cieplarnianych, skłania kolejne państwa do poszukiwania czystych i stabilnych źródeł energii. U progu przełomowych zmian stoi również Polska – w ramach Programu Polskiej Energetyki Jądrowej rozpoczyna się wdrażanie technologii reaktorów AP1000. Bezpieczeństwo i efektywność takich reaktorów zależą w ogromnej mierze od materiałów strukturalnych, które muszą sprostać pracy w wyjątkowo trudnych warunkach – wysokiej temperaturze, ciśnieniu, promieniowaniu oraz stałym kontakcie z chłodziwem.

Szczególnie istotną rolę odgrywają koszulki paliwowe – cienkościenne osłony oddzielające paliwo i produkty rozszczepienia od chłodziwa. Wytwarza się je ze stopów cyrkonu, które łączą korzystne właściwości mechaniczne z niskim pochłanianiem neutronów. Z czasem materiały te ulegają jednak degradacji na skutek utleniania. Powstająca na ich powierzchni warstwa tlenku cyrkonu może przybierać dwie odmiany krystaliczne o przeciwnych właściwościach: ochronną, lecz metastabilną fazę tetragonalną, która spowalnia dalsze utlenianie, oraz porowatą i podatną na pękanie fazę jednoskośną, która korozję przyspiesza. To właśnie równowaga między nimi decyduje o trwałości koszulki – a rządzące nią mechanizmy wciąż pozostają nie w pełni poznane.

Celem projektu jest wyjaśnienie, jak naprężenia mechaniczne oraz poziom stechiometrii wpływają na kinetykę utleniania stopów cyrkonu, a przez to na powstawanie i stabilność ochronnej fazy tetragonalnej. Badania prowadzone są w dwóch etapach: najpierw na próbkach utlenianych bez zewnętrznego naprężenia, a następnie z naprężeniem przykładanym podczas utleniania – w warunkach bliższych rzeczywistym obciążeniom panującym wewnątrz reaktora.
Przemiany zachodzące w warstwie tlenkowej śledzone są za pomocą zestawu uzupełniających się technik badawczych: spektroskopii Ramana (in situ oraz w przekroju warstwy), rentgenowskiej dyfraktometrii w geometrii poślizgowej (GIXRD), skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (SEM i TEM) oraz spektroskopii emisyjnej ze wzbudzeniem laserowym (LIBS).

Realizowany projekt ma pozwolić rozwikłać złożone zależności między naprężeniem, wielkością ziarna a stechiometrią, które wspólnie decydują o stabilności warstw tlenkowych. Zdobyta wiedza pozwoli lepiej zrozumieć mechanizmy degradacji koszulek paliwowych, a w szerszej perspektywie – zwiększyć bezpieczeństwo reaktorów jądrowych. Ma to szczególne znaczenie dziś, gdy Polska rozpoczyna budowę własnej energetyki jądrowej, a świat coraz intensywniej poszukuje czystych i niezawodnych źródeł energii.