2013. október: jegyzet, portré, startup, tudomány, nanotechnológia, paragrafus, innováció, it, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, megújuló energia
2013. október 2.

Szerző:
Szegedi Imre

MTA Wigner FK RMI • rmki.kfki.hu

Préselt acél atomerőművekbe

Néhány évtizeden belül megépülhet az első, energiatermelésre alkalmas fúziós erőmű – ehhez azonban anyagtudományi kutatásokra is szükség van. Zoletnik Sándor, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatója több példával érzékeltette magazinunknak, hogy milyen fontos ez a terület.


Azt már a kísérleti fúziós eszközök tanulmányozása során megismerték a fizikusok, hogy az ilyen berendezések belsejében lévő anyagok egyes helyeken nagy hőterhelésnek vannak kitéve. A követelmények hasonlóak az űrsiklók felszínére tett hővédő kerámiákkal szemben támasztottakhoz, de mivel a fúziós berendezések vákuumban üzemelnek, itt alapkövetelmény az is, hogy gázokat nem adhatnak le és nem köthetnek meg.

Zoletnik Sándor, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézetének főmunkatársa szerint tíz-tizenöt évvel ezelőtt még úgy gondolták, hogy erre a célra szénszálas szén (CFC) vagy grafit anyagok a legalkalmasabbak, mert kiváló a hővezető képességük, és nagy hőterhelést is könnyedén elviselnek. Csakhogy a kísérletek során kiderült, hogy a szén alapú anyagok a kísérleti eszközök belsejében a plazmában lévő hidrogénnel szénhidrogénkötést alakítanak ki, ezért a plazma kémiailag is lebontja a felületet. Az így kialakult molekulák a plazmába sodródva a hidegebb helyeken kiválnak, és hidrogénben gazdag vékonyréteget alakítanak ki. Bizonyos rétegvastagságot elérve ez az anyag lepattogzik, és por alakban az eszköz alján felhalmozódik. Elemzések szerint egy jövőbeli fúziós erőműben ilyen módon annyi radioaktív trícium halmozódna fel, ami már biztonsági kockázatot jelentene. Azaz, a szén nem alkalmas erre a célra.

Napjaink ígéretes anyagának a volfrámot tartják, most ilyen bevonattal vagy tömör téglákkal próbálkoznak. Számos előnyös tulajdonsága mellett azonban jelentős hátránya, hogy túlontúl rideg – nehezen viseli a ciklikus fűtést és hűtést. Ilyen környezetben törik, porlódik. Ezen a legújabb kísérletekben úgy is próbálnak segíteni, hogy a volfrámból vékony fóliát készítenek, amit csővé feltekernek, majd a belsejében hűtőfolyadékot áramoltatnak. További kísérletek után derül ki, hogy alkalmas lesz-e a volfrám erre a célra.

Az anyagtudományi kísérletek másik iránya a mind a fúzión, mind a maghasadáson alapuló új típusú atomerőművek különleges szerkezeti anyagainak megtalálása – ezek az erőművek ugyanis lényegesen nagyobb neutronterhelésnek lesznek kitéve, mint a jelenlegiek. (Napjaink reaktoraiban kevesebb neutron keletkezik, és ezek nagy részét le is lassítja a hűtőközeg.) Olyan anyagok kellenek tehát, amelyeket a neutronok nem tudnak sugárzó anyaggá átalakítani, és a neutronbombázásnak sokáig ellent is tudnak állni. Erre a célra a nikkelt és más ötvözőket tartalmazó közönséges acél nem alkalmas. Olyan acél ellenben elképzelhető, amelynél speciális ötvözőanyagok alkalmazásával elérhető, hogy az anyag ne aktiválódjon fel, ne váljon sugárzóvá. A kutatók kifejezetten fúziós célra fejlesztettek ki egy ilyen acélötvözetet, amelyet Eurofernek neveztek el. Ha ebből az anyagból készülne egy fúziós erőmű, akkor jelenlegi tudásunk szerint a majdani leállítás után 50-100 évvel (tehát meglepően rövid időn belül) újrahasznosíthatnák a beépített Eurofer-acélt. Csakhogy ez a speciális acél a vizsgálatok szerint tartós neutronbesugárzás hatására könnyen rideggé, azaz törékennyé válik, ami csak akkor kerülhető el, ha használata során a hőmérséklet nem csökken 300 °C alá. S hogy még bonyolultabb legyen a helyzet: az anyag maximális üzemi hőmérséklete 550 °C fölé sem mehet. Azaz meglehetősen szűk hőmérsékleti tartományban működhetne csak az ilyen anyagot tartalmazó reaktor. Ezen a problémán segíthetne az ODS-acél, amelyet kis szemcseméretű porból magas hőmérsékleten és roppant nagy nyomáson préselnek össze. Az első mérések szerint az ODS-acél nem lesz rideg, ám eddig csupán laboratóriumi méretekben tudták előállítani, az ipari méretű gyártás technológiája még nincs kidolgozva. A szilícium-karbid is alkalmasnak tűnik szerkezeti anyagnak, mivel nem aktiválódik fel, és az Eurofernél sokkal magasabb hőmérsékleten üzemeltethető, ellenben a jelenlegi mintáknak rossz a hővezető képességük. Ígéretes megoldások lehetnek egyes vanádiumtartalmú ötvözetek, de legalább egy évtizednyi kutatómunka kell, hogy ezek alkalmasságáról vagy alkalmatlanságáról végleges döntést tudjanak hozni.

A szerkezeti anyagok mellett olyan funkcionális anyagokat is keresnek az anyagtudósok, amelyek elektronikában, kábelekben, szigetelőkben vagy éppen optikai elemekben felhasználva ellenállnak a neutronsugárzásnak. Vagyis bőven ad munkát az anyagtudósoknak az energetika.
Zoletnik Sándortól tudjuk, hogy Magyarországról az MTA Energiatudományi Kutatóközpont munkatársai aktívan bekapcsolódtak az Eurofer és az ODS-acél vizsgálatába, a KFKI telephelyen működő Budapest Kutatóreaktor számos alapvető jelentőségű eredménnyel járult hozzá a kutatásokhoz.•

 
Innotéka