Laboratorium Badań Materiałowych NCBJ przygotowane do badań materiałów konstrukcyjnych reaktora typu HTGR

Naukowcy i Inżynierowie Laboratorium Badań Materiałowych NCBJ specjalizują się w analizach właściwości mechanicznych, strukturalnych, termicznych i badaniach nieniszczących nowoczesnych materiałów przeznaczonych do zastosowania w reaktorach jądrowych IV Generacji. Zakończona właśnie modernizacja Laboratorium pozwoli na badanie i certyfikowanie materiałów, które mają posłużyć do konstrukcji pierwszego polskiego reaktora wysokotemperaturowego chłodzonego gazem – HTGR.

Opracowywanie nowych technologii wytwarzania energii wymaga specjalistycznej wiedzy inżynierskiej i doskonałej znajomości właściwości funkcjonalnych materiałów konstrukcyjnych, gdyż w dużej mierze od ich doboru i późniejszej eksploatacji zależy bezpieczeństwo pracy instalacji energetycznej. Dotyczy to w szczególności instalacji jądrowych, gdzie aspekt bezpieczeństwa jest niezwykle istotny i bardzo rygorystycznie przestrzegany. Obecnie stosowane metody badań i narzędzia numeryczne pozwalają na precyzyjne określenie właściwości danego materiału. Badania można prowadzić od skali pojedynczych atomów, a nawet oddziaływań między nimi. Zrozumienie tych fundamentalnych oddziaływań jest niezbędne do oceny i przewidzenia zachowania się kompletnych elementów konstrukcyjnych w gotowej instalacji jądrowej. Prace tego typu są specjalnością naukowców Laboratorium Badań Materiałowych (LBM) NCBJ, gdzie właśnie zakończona została modernizacja infrastruktury badawczej. Otwiera ona nowe możliwości analiz i testów materiałów konstrukcyjnych przeznaczonych do zastosowania w budowie wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych nowej generacji (High Temperature Gas-cooled Reactor, HTGR).

Jak wskazuje nazwa, HTGR to przede wszystkim bardzo wysoka temperatura pracy, sięgająca w zależności od projektu nawet 950°C. Ponadto, materiały użyte do budowy tego reaktora muszą być odporne na oddziaływanie wysokiego ciśnienia oraz promieniowania jonizującego. W związku z tym, materiały do konstrukcji tego typu reaktorów muszą charakteryzować się unikatowymi właściwościami mechanicznymi i strukturalnymi. Aby stwierdzić, czy dany materiał może pracować w danym środowisku, należy przeprowadzić rzetelne badania w warunkach zbliżonych do tych panujących w trakcie jego eksploatacji. Pod uwagę należy wziąć również warunki niestandardowe, np. stany awaryjne instalacji jądrowej, kiedy mamy do czynienia z szybkim wzrostem temperatury i ciśnienia.

Drogę do prowadzenia tego typu badań otwiera część nowej aparatury zainstalowanej w LBM, w tym m.in. wysokotemperaturowy piec próżniowy przeznaczony do symulowania oddziaływania temperatury, dylatometr wysokotemperaturowy czy urządzenia do określania dyfuzyjności i przewodności cieplnej materiałów. Nowe urządzenia pozwalają na badanie materiałów w temperaturze nawet do 1250°C w atmosferze pary wodnej lub gazu obojętnego. Laboratoria LBM wzbogaciły się również w aparaturę do niszczących i nieniszczących badań materiałowych, np. przenośny wideoboroskop, elektrodrążarkę do precyzyjnego cięcia próbek, czy nowoczesny spektrometr masowy z układem plazmy wzbudzanej indukcyjnie sprzężony z ablacją laserową (LA-ICP-MS). Urządzenie to przeznaczone jest do bardzo dokładnego badania składu chemicznego stali i stopów metali, ale może również posłużyć do określenia składu chemicznego grafitu – materiału z którego zbudowane będą elementy rdzenia reaktora HTGR.

W laboratorium LBM znacząco rozbudowane zostały także możliwości prowadzenia badań wytrzymałości materiałów in-situ w temperaturach do 1000°C. Poza wykorzystaniem istniejącej infrastruktury do analiz twardości i udarności, naukowcy mogą sprawdzać właściwości strukturalne materiałów dzięki nowemu systemowi dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i spektroskopii Ramana. „Posiadany zestaw urządzeń, wsparty szczegółową analizą strukturalną i fazową, umożliwia zrozumienie mechanizmów odpowiedzialnych za tworzenie defektów radiacyjnych, ich migrację i interakcje nie tylko ze sobą, ale przede wszystkim z innymi składowymi mikrostruktury materiału” – opisuje dr hab. inż. Łukasz Kurpaska prof. NCBJ, kierownik LBM. „Przyczynia się to do lepszego zrozumienia zachowania materiałów w środowisku pracy reaktora jądrowego, a tym samym możliwości dokładnego oszacowania ich tzw. czasu życia.”

Nowo wyposażone pracownie laboratoryjne posiadają jednocześnie akredytację PCA w zakresie badań mechanicznych, nieniszczących oraz strukturalnych, dzięki czemu Laboratorium LBM jest upoważnione do prowadzenia akredytowanych badań zgodnie z międzynarodowymi normami certyfikowania materiałów i metod badawczych (np. ISO, ASTM lub BS) m.in. dla potrzeb technologii HTGR. Tworzy to nowe możliwości współpracy z przemysłem lub innymi ośrodkami naukowymi w kraju i za granicą. „Dzięki nowym urządzeniom badawczym i pomiarowym, w Laboratorium można realizować badania nieniszczące, w tym wizualne i ultradźwiękowe, oraz niszczące materiałów i ich złączy spawanych, np. makro- i mikroskopowe analizy metalograficzne, testy mechaniczne, czy też ocenę mechaniki pękania materiałów oraz twardości i udarności” – opowiada dr hab. inż. Jarosław Jasiński prof. NCBJ z LBM. „Ponadto naukowcy LBM mogą wykonywać bardzo dokładne analizy składu chemicznego oraz fazowego materiałów m.in. z zastosowaniem metod spektroskopowych – spektroskopia OES, Ramana oraz masowa ICP-MS. Ważnymi badaniami ukierunkowanymi na współpracę przemysłową są również badania termiczne pozwalające między innymi na określenie przewodnictwa i rozszerzalności cieplnej materiałów oraz przemian fazowych zachodzących w materiałach w trakcie ich eksploatacji w wysokiej temperaturze.”

Bazując na powyższych możliwościach badawczych, Laboratorium LBM już zrealizowało liczne prace dla jednostek naukowych i przemysłowych z sektora energetyki konwencjonalnej i jądrowej oraz wielu innych sektorów gospodarki. Obecnie prowadzone prace dotyczą między innymi badań nieniszczących elementów rur przeznaczonych do konstrukcji układu chłodzenia reaktora jądrowego, jak również oceny przyczyn obniżonej trwałości eksploatacyjnej narzędzi stosowanych w przemyśle samochodowym, czy też badań złączy spawanych ferrytyczno-martenzytycznych stali ODS wzmacnianych cząstkami tlenków, przeznaczonych do budowy reaktorów IV Generacji.

Przewiduje się, że zakupiona infrastruktura pozwoli na realizację badań stanowiących znaczący wkład w skomercjalizowanie bezpiecznych i niezawodnych instalacji energetycznych, w tym przede wszystkim reaktorów IV Generacji, które znacząco przyczynią się do dekarbonizacji gospodarki oraz zapewnią stałe i konkurencyjne cenowo koszty wytwarzania energii. Projekt HTGR, zarządzany przez Narodowe Centrum Badań Jądrowych, jest realizowany na podstawie umowy Ministra Edukacji i Nauki z Narodowym Centrum Badań Jądrowych z dnia 12 maja 2021 r. o ustanowieniu przedsięwzięcia pod nazwą „Opis techniczny badawczego, wysokotemperaturowego reaktora jądrowego chłodzonego gazem (High Temperature Gas Cooled Reactor, HTGR)”, umowa nr 1/HTGR/2021/14.