Nazwa Projektu: Amorficzne powłoki ochronne na bazie oksywęglika krzemu na stali jako materiały okładzinowe w reaktorach jądrowych

Akronim Projektu: SONATINA 7

Budżet Projektu: 865 602 PLN

Czas trwania projektu: 29.11.2023 - 28.11.2026

Kierownik Projektu: dr inż. Magdalena Gawęda

Opis Projektu:

Współczesny świata stoi w obliczu pogłębiającego się kryzysu ekologicznego i ekonomicznego związanego z efektem cieplarnianym, nadmierną eksploatacją i niedoborem paliw kopalnych. Wydajność źródeł alternatywnych, takich jak energia słoneczna, wodna i wiatrowa, jest silnie uzależniona od klimatu i topografii, które to warunki w przypadku Polski są, niestety, niekorzystne. Jedyną alternatywą, która pozwoli całkowicie zastąpić lub w znacznym stopniu uniezależnić Polskę od paliw kopalnych, są reaktory jądrowe najnowszej generacji. Dzięki niedawnemu podpisaniu odpowiednich umów podjęliśmy historyczny krok w kierunku budowy naszej pierwszej elektrowni jądrowej. Nowoczesne technologie wymagają nowych, niezawodnych materiałów. Metale (np. cyrkon) i stopy (stale AISI 304 i 316L), najczęściej używane do elementów konstrukcyjnych, nie są odporne na degradację spowodowaną napromieniowaniem neutronami i jonami. Pierwszym z proponowanych rozwiązań tego problemu jest wprowadzenie dodatkowych granic międzyziarnowych i międzyfazowych, które działają jako studnie defektów (np. stopy utwardzane tlenkami (ODS)). Drugim podejściem jest wprowadzenie bariery między metalem a środowiskiem pracy. Przykładem są tu warstwy pasywacyjne w stalach AFA (ang. alumina-forming austenitic steel) lub dodatkowo naniesione powłoki (np. Al2O3 metodą PLD). Niestety, obecnie stosowane rozwiązania nie posiadają wystarczającej odporności na promieniowanie, korozją i utlenianie, mają relatywnie wysoką tendencję do krystalizacji oraz niską przyczepność do podłoża metalicznego. Głównym celem niniejszego projektu jest opracowanie amorficznych powłok ochronnych na bazie oksywęglika krzemu (SiOC) w celu poprawy odporności na promieniowanie i stabilności w wysokich temperaturach elementów konstrukcyjnych w reaktorach jądrowych. Praca będzie obejmować szczegółowe badania strukturalne, mikrostrukturalne i mechaniczne warstw SiOC z różną zawartością węgla oraz modyfikowanych jonami żelaza naniesionych na stal austenityczną. Dokładne badania zostaną przeprowadzone przed i po napromieniowaniu lekkimi i ciężkimi jonami oraz w warunkach podwyższonych temperatur. Wyniki będą miały duże znaczenie naukowe i pozwolą bezpośrednio określić możliwość zastosowania elementów z układu stal/SiOC w reaktorach jądrowych. SiOC to grupa dwufazowych materiałów składających się z matrycy opartej na amorficznej krzemionce z częściowo podstawionymi jonami tlenu przez jony węgla oraz fazy tak zwanego wolnego węgla o turbostratycznej strukturze grafitopodobnej. Jest to materiał bardzo interesujący ze względu na swoje parametry mechaniczne, doskonałą przyczepność do podłoża metalowego, stabilność chemiczną i temperaturową, a także odporność na promieniowanie połączoną z wytrzymałością na powstawanie pęcherzy helowych. Dlatego też SiOC został zaproponowany do stosowania jako powłoki ochronne na elementy metalowe, ale także w paliwie TRISO. Jednakże obecna wiedza na temat zachowania SiOC podczas irradiacji opiera się na badaniach laminatów SiOC/Fe oraz warstw naniesionych na utlenione wafle krzemowe za pomocą osadzania magnetronowego lub proszków otrzymanych z polimerów krzemoorganicznych. Nie odwzorowują one jednak formy, w jakiej mają zostać zastosowane w rzeczywistości. Głównym celem niniejszego projektu jest uzyskanie i analiza powłok opartych na SiOC, naniesionych na stal austenityczną AISI 316L, które będą bezpośrednio odzwierciedlać formę, w jakiej materiał ma być stosowany w reaktorze jądrowym. Projekt opiera się na trzech filarach obejmujących: (1) przygotowanie amorficznych powłok na bazie SiOC otrzymanych poprzez obróbkę termiczną polimerów preceramicznych (samodzielnie syntetyzowanych silseskwioksanów drabinkopodobnych z określoną zawartością węgla) naniesionych na stal austenityczną AISI 316L; (2) napromieniowanie powłok w pokojowej i podwyższonej temperaturze lekkimi i ciężkimi jonami (np. helem i kryptonem), w celu symulacji zmian zachodzących w warunkach pracy reaktora jądrowego; (3) badania strukturalne, elementarne, mikrostrukturalne i mechaniczne próbek przed i po napromieniowaniu jonami, in-situ i eks-situ w temperaturze pokojowej i podwyższonej (do 950°C), mające na celu scharakteryzowanie zmian składu i właściwości powłok SiOC spowodowanych promieniowaniem, a zarazem określenie stabilności materiału w wysokiej temperaturze oraz jego zdolności ochronnych. Kluczowy aspekt projektu obejmować będzie trudną kwestię interfejsu między powłoką a podłożem metalicznym oraz jego wpływ na stabilność właściwości powłok po napromieniowaniu i w podwyższonych temperaturach. Podstawą niniejszego projektu jest obszerne badanie wstępne przeprowadzone przez kierownika projektu, które systematyzuje projektowanie modyfikacji amorficznych powłok na bazie SiOC w celu dostosowania właściwości materiału do wymagających zastosowań i warunków pracy. Wynikiem projektu będą nowe, niezawodne i ze zdefiniowanymi właściwościami powłoki ochronne na stalowe elementy konstrukcyjne reaktorów jądrowych. Ponadto powstanie baza danych eksperymentalnych pomocnych w przyszłych wyzwaniach w projektowaniu i analizie nowych materiałów, która obejmie unikalny, interdyscyplinarny i kompleksowy łańcuch badań od probówki do zastosowania.