Když Britové vyšetřovali několik havárií jaderných elektráren, které se v zemi staly ve druhé polovině dvacátého století, domnívali se, že jde o konstrukční vady. Nový výzkum českých vědců ale ukazuje, že problém byl hlubší, ležel až v jádru hmoty.
Vědecký tým z Akademie věd ČR a Masarykovy univerzity hlásí zásadní přínos do výzkumu hromadění nečistot na rozhraní mezi krystaly. Tento jev může sice znít velmi „teoreticky“, ale ve skutečnosti měl výrazný reálný dopad. Na začátku druhé poloviny dvacátého století totiž způsobil sérii havárií v jaderných elektrárnách ve Velké Británii.
Nejznámější byly dvě. Roku 1957 došlo k havárii v jaderné elektrárně Windscale určené pro vojenské účely. Požár v jednom z reaktorů způsobil únik radioaktivního materiálu, což vedlo ke znečištění oblasti. Podobná nehoda postihla jaderný reaktor Calder Hall, během jehož provozu se našly problémy s konstrukcí a materiály, které nebyly ideální pro dlouhodobý provoz takového zařízení.
Studie českých vědců fenomén nejen popisuje, ale také otevírá nové možnosti, jak podobným problémům v budoucnosti předcházet: například vývojem odolnějších slitin a nových technologických procesů jejich výroby.
Katastrofální selhání ocelových turbín v jaderných elektrárnách je jen jedním z příkladů, kdy selhává soudržnost materiálu – i když je zdaleka nejviditelnější a současně potenciálně nejničivější. Destrukce turbín v tomto případě nebyla následkem problémů vlastního provozu jaderné elektrárny, ale příčinou bylo hromadění fosforu na rozhraních mezi krystaly kovu. Tomuto fenoménu se odborně říká segregace.
Vyřešení rozporu
Segregaci nečistot zkoumají vědci na celém světě po desetiletí jak experimentálně, tak teoreticky a v poslední době také pomocí umělé inteligence. Přesto se experimentální výsledky a teoretická data málokdy shodují. Čeští vědci teď odhalili podstatu tohoto záhadného rozporu – zásadní roli totiž hraje entropie, kterou dříve vědci v teoretických výpočtech často opomíjeli.
„Článek zahajuje novou etapu ve studiu segregace nečistot na hranicích zrn v materiálech. S kolegou jsme totiž prokázali, že bez zahrnutí entropie nelze naměřeným datům dobře porozumět a že na entropii opravdu záleží. Současně se mi podařilo předpovědět nový typ segregace příměsí na hranicích zrn, který je zcela řízen entropií,“ vysvětluje Pavel Lejček z Fyzikálního ústavu AV ČR.
Entropie je termodynamická veličina, která popisuje míru neuspořádanosti materiálu. Liší se proto u strukturně uspořádaného krystalu a u méně strukturně uspořádaných oblastí, jako jsou hranice zrn v materiálu. Entropie je vedle energie důležitou charakteristikou segregace příměsí na hranicích zrn. Nelze ji tedy považovat jen za „matematický artefakt“, jak se často objevuje v odborné literatuře.
Co nejlepší znalost chování materiálů, například oceli, včetně všech typů segregace příměsí na hranicích zrn může podle autorů studie výrazně pomoci nejen k vývoji nových materiálů odolných vůči mezikrystalové křehkosti, ale i k tomu, aby byly nanokrystalické materiály, které mají velkou perspektivu pro konstrukce, více stabilní při vysokých teplotách.
„Výzkum zahajuje jeden z důležitých trendů v této oblasti, přitom stojí zcela na výsledcích české vědy,“ dodává spoluautor studie Mojmír Šob z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity.
