Grafit powszechnie wykorzystuje się w instalacjach jądrowych. Używa się go zarówno w już istniejących reaktorach, jak i w projektach nowych reaktorów IV Generacji. Pomimo wysokiej odporności na ekstremalne warunki pracy, po pewnym czasie, pod wpływem promieniowania powstają w nim defekty, mogące zmieniać jego właściwości. Badania ewolucji tych defektów przeprowadzili ostatnio naukowcy z Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ.

Grafit posiada dużą odporność na zniszczenia radiacyjne oraz jest stabilny w wysokich temperaturach, zachowując przy tym swoje parametry mechaniczne. Dzięki tym właściwościom grafit jest stosowany w reaktorach jądrowych obecnej generacji jako moderator (spowalniacz) neutronów. Aplikacja w reaktorach jądrowych kolejnej generacji stawia wyższe wymagania materiałom, ze względu na niezwykle trudne warunki eksploatacji (temperatura dochodząca do 1000°C, intensywne działanie wiązek neutronów, wysokie ciśnienie oraz bardzo długi czas działania instalacji – rzędu kilkudziesięciu lat). Powodują one powstawanie zmian strukturalnych (defektów), czego konsekwencją są zmiany właściwości funkcjonalnych. Poznanie, jak promieniowanie wpływa na grafit, jak jego struktura zmienia się w miarę napromieniowania i jakiego typu defekty pojawiają się w nim w zależności od rodzaju, energii i dawki promieniowania, jest kluczowe, ponieważ w przypadku reaktorów wysokotemperaturowych chłodzonych gazem (ang. high-temperature gas-cooled reactors, HTGR), grafit pełnić będzie nie tylko rolę moderatora, ale także elementu konstrukcyjnego. Prace w kierunku szczegółowego opisu kinetyki degradacji grafitu pod wpływem napromieniowania zostały przeprowadzone przez badaczy z Centrum Doskonałości NOMATEN w NCBJ, którzy porównali mechanizmy powstawania defektów kilku typów grafitu jądrowego: dostępnych komercyjnie grafitów NBG-17 i IG-110 oraz materiału pochodzącego z zasobów NCBJ (zapasowy materiał dla działającego w latach 1958-1995 reaktora badawczego EWA).

Aby zasymulować napromieniowanie, na jakie materiał będzie narażony podczas wieloletniej pracy w reaktorze jądrowym, wykorzystuje się wiązki lekkich lub ciężkich jonów. Często wybiera się gazy szlachetne, które nie wprowadzą znaczących zmian chemicznych w materiale, ale wywołają zmiany strukturalne, podobne do tych wywołanych przez neutrony w rzeczywistym reaktorze. Dla analizowanych próbek grafitu naukowcy wykorzystali wiązki jonów argonu Ar⁺ oraz helu He⁺. Użycie wiązki jonów helu miało w tym przypadku dodatkowe znaczenie – to właśnie helem ma być chłodzony rdzeń reaktora HTGR. W ten sposób badania mogły dodatkowo zobrazować interakcję grafitu z chłodziwem. Przygotowane próbki trzech typów grafitu zostały naświetlone wiązkami jonów argonu i helu w temperaturze 400°C. „Podwyższona temperatura jest tu istotna, aby lepiej oddać warunki, na jakie grafit jest narażony w rzeczywistych instalacjach” – opisuje mgr inż. Magdalena Wilczopolska, pierwsza autorka artykułu. „Wraz ze wzrostem temperatury, wzrasta ruchliwość atomów węgla w strukturze grafitu, co prowadzi do zmian w rodzajach defektów i mechanizmach ich powstawania.” Próbki były bombardowane strumieniem jonów o energii 150 keV z różną dawką (fluencja od 10¹² do 2∙10¹⁷ jonów na cm²), by zasymulować generowanie uszkodzeń w materiale w coraz dłuższych przedziałach czasowych.

Próbki grafitu, zarówno przed jak i po napromienianiu, były poddane badaniom spektroskopii Ramana, jak również skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Spektroskopia Ramana polega na pomiarze nieelastycznego rozpraszania fotonów przez badany materiał. W zależności od struktury próbki i obecnych w niej wiązaniach chemicznych, w uzyskanym widmie widoczne są charakterystyczne dla danej substancji pasma. W przypadku próbek poddanych napromienianiu można określić stopień i rodzaj defektów radiacyjnych poprzez analizę stosunku intensywności poszczególnych pasm, ich pozycji na widmie oraz szerokości połówkowej. „W uzyskanych widmach ramanowskich wraz ze wzrostem dawki jonów obserwujemy ewolucję tzw. pasm D i G: zmianę stosunków intensywności, przesunięcie pozycji i poszerzenie. Zmiany te są widoczne szybciej, tzn. przy niższych fluencjach, przy naświetlaniu jonami argonu, niż helu” – opowiada mgr inż. Wilczopolska. „Jony argonu są cięższe, więc deponują w materiale więcej energii, co skutkuje większą liczbą defektów w graficie przy bombardowaniu tą wiązką”.

Uzyskane przez badaczy wyniki wskazują na zauważalne różnice w mechanizmie powstawania defektów w poszczególnych rodzajach grafitu jądrowego. Przy najbardziej intensywnych wiązkach jonów nagromadzenie defektów doprowadziło do amorfizacji wszystkich próbek. W przypadku wiązek o niższej fluencji, ilość i rodzaj powstających uszkodzeń znacznie różni się między grafitami dostępnymi komercyjnie, a materiałem pochodzącym z NCBJ, w którym rozwój defektów przebiega gwałtowniej, co wynika najprawdopodobniej z różnic w procesie produkcji. Jednocześnie wykazano, że materiał NBG-17 zachowuje największą stabilność strukturalną i odporność radiacyjną: zwłaszcza przy niższych dawkach wykazuje najmniejszą ilość powstających defektów i najwolniej postępującą utratę krystaliczności.

Wyniki spektroskopii Ramana zostały dodatkowo potwierdzone poprzez obserwacje z użyciem skaningowej mikroskopii elektronowej próbek, przed i po napromienianiu. Różnice w mikrostrukturze widoczne były już na próbkach wyjściowych – grafit komercyjny był bardziej jednorodny, zbudowany z drobnych płatków bądź większych, płaskich powierzchni, grafit NCBJ wykazywał dużą niejednorodność. Wraz z rosnącą dawką strumienia jonów, obraz SEM wskazywał na coraz większą niejednorodność wszystkich powierzchni, a także powstawanie porów. Obserwacje pod mikroskopem potwierdziły również większą skalę zmian w materiale wywołaną przez jony argonu w porównaniu z jonami helu. Na podstawie wszystkich wyników badań można stwierdzić, że grafit NBG-17 charakteryzuje się najwyższą stabilnością przy niskiej fluencji jonów i w tych warunkach jest najbardziej odporny na promieniowanie spośród wszystkich badanych materiałów. Przy wyższym stopniu napromieniowania posiada podobny poziom zdefektowania, co grafit IG-110. Największą podatność na zniszczenia radiacyjne wykryto dla grafitu NCBJ. Wyższa jakość obecnie dostępnych grafitów komercyjnych pokazuje znaczący postęp technologiczny oraz zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji materiałów, będące motorem rozwoju technologii jądrowych.

Oryginalna praca: Magdalena Wilczopolska, Kinga Suchorab, Magdalena Gawęda, Małgorzata Frelek-Kozak, Paweł Ciepielewski, Marcin Brykała, Wojciech Chmurzyński, Iwona Jóźwik, Evolution of radiation-induced damage in nuclear graphite – A comparative structural and microstructural study, Diamond and Related Materials, Volume 146, 2024, 111247, ISSN 0925-9635, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111247

Piotr Spinalski