Výzkumné a vývojové technologie v Řeži jsou příležitostí pro český výzkum a prům

Návrhem, konstrukcí a dodávkou horkých komor pro nový výzkumný reaktor JHR (Jules Horowitz Reactor) v Cadarache se organizace zařadila mezi těch několik na světě, které jsou schopny dodat takovéto náročné technologie. Významným nakročením k vytvoření excelentního robustního znalostního centra se stal projekt Udržitelná energetika (Sustainable Energy – SUSEN), financovaný Evropskou unií v rámci operačních programů „Výzkum a vývoj pro inovace“ a „Výzkum, vývoj a vzdělávání“. Rozšířením experimentální technologické infrastruktury jde o projekt rozvíjející příležitosti pro české výzkumné a vývojové subjekty působící v jaderných technologiích. Je také projektem, který dlouhodobě podpoří vytváření a sdílení znalostí v rámci české a mezinárodní jaderné komunity. Týmy a organizace spolupracující na projektech vytvářejí prostor pro tři generace – generaci, která český jaderný průmysl zakládala, generaci, která jej rozvinula do podoby, v jaké je dnes odborným světem uznávána, a generaci mladých inženýrů, výzkumníků a techniků, kteří vytvářejí a budou vytvářet jaderné technologie pro století jedenadvacáté.

SUSEN je zaměřen na výstavbu výzkumných technologií a tvorbu týmů pro výzkumné a vývojové práce a vytváření znalostí v jaderných technologiích. Je cílen na podporu předkomerčního výzkumu, vývoj a kvalifikaci metodik, podporu bezpečnostních analýz a vývojové práce v oblasti nových technologií a procesů. Obrázek 1 ilustruje tři základní dimenze projektu: technologie (světle modrá stěna), vědní disciplíny (tmavě modrá stěna) a typy úloh (bílá stěna). Ve většině kombinací prvků na těchto třech dimenzích najdou současní a budoucí uživatelé výsledků projektu SUSEN konkrétní příležitosti pro rozvoj a inovace.

Jak ukáže další text, příležitosti mají podobu vyvíjené technologie, řešení konkrétních problémů průmyslu na základě kolaborativního výzkumu nebo dlouhodobého výzkumného cíle podporujícího řešení nebo řešícího významný technologický problém budoucího využití jaderné energie. Na projekt SUSEN významnou měrou navazuje projekt Výzkum pro SUSEN (R4S) – LQ1603, který je spolufinancován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy. Tento projekt má těžiště v základním výzkumu prováděném na výzkumné infrastruktuře SUSEN, a to v období udržitelnosti projektu po dokončení výstavbové fáze projektu SUSEN. Výzkumné centrum se i tak nadále rozvíjí a hlavní cíl projektu R4S bude věcně naplňován výzkumem chování materiálů a komponent v běžných i extrémních podmínkách a médiích, výzkumem chování těchto médií a stanovením vzájemných vztahů mezi složením, strukturními vlastnostmi a povrchovými vlastnostmi materiálů, včetně modelování vlastností zcela nových materiálů, a to v podmínkách extrémních teplot, prostředí a namáhání.

V oblasti současných generací jaderných technologií (Gen II, III, III+) je primárním cílem rozšíření znalostí nezbytných pro pochopení degradačních jevů v materiálech a komponentách v průběhu provozu jaderných zařízení, vývoj metod jejich posouzení a stanovení predikce jejich vývoje s cílem zajistit bezpečné a spolehlivé provozování jaderných zařízení po celou dobu jejich životnosti. Výstavba horkých komor plně vybavených pro hodnocení vlastností a mikrostruktury materiálů, mechanická zkušebna pro zkoušky v širokém pásmu provozních teplot nebo laboratoř pro výzkum a vývoj v oblasti interakcí provozního prostředí s komponentami pro všechny provozní a havarijní režimy jsou příklady pracovišť stavěných v projektu.

Jednou z vlajkových lodí výzkumu a vývoje v CVŘ je oblast nedestruktivních metod testování. V současné době se náš výzkum a vývoj soustřeďuje na ultrazvukové metody – především na metodu phassed array, která v porovnání s klasickým ultrazvukem umožňuje hledat vady v celém objemu a ve všech směrech –zjednodušeně řečeno jde o 3D ultrazvuk.

Jako velmi perspektivní se v současnosti jeví metoda 3D laserového skenování. Disponujeme technologií, která je schopna nejen naskenovat za pomocí laseru daný předmět, ale díky vysokému rozlišení můžeme na vzorcích nebo dokonce celých komponentách hledat vady mikroskopických rozměrů. V CVŘ jsme v rámci této technologie vyvinuli metodu identifikace korozních důlků na lopatkách parních turbín a v současnosti ji s úspěchem rozšiřujeme i na vodní turbíny. Nespornou výhodou této metody je fakt, že je možné komponenty testovat bez nutnosti jejich demontáže – můžeme tak naskenovat například celé oběžné kolo turbíny a hledat na něm vady, aniž by bylo nutné turbínu rozebrat.

Abychom mohli poskytovat komplexní služby v oblasti nedestruktivních metod, rozvíjíme vedle ultrazvuku a laseru i využití magnetické metody, metody vířivých proudů a ve spolupráci s kolegy ze Západočeské univerzity v Plzni i metodu využívající rentgenu. Můžeme tak pokrýt v podstatě celé spektrum metod nedestruktivního testování a tím i velké spektrum možných aplikací – od malých kovových vzorků přes potrubí a velké nádoby až po betony či velké ocelobetonové konstrukce.

Velmi důležitou kompetencí, kterou disponujeme, je výroba umělých vad v testovacích tělesech, které se následně využívají pro ověřování a kvalifikaci nově vyvinutých nedestruktivních metod.

Ve spojení s naší laboratoří pro materiálové testování tak jsme schopni nabízet služby pro velkou škálu průmyslových aplikací – od nedestruktivního testování a kontrol až po mechanické a materiálové testy zaměřené například na korozi, creep či únavu materiálů.

CVŘ je již po mnoho let zapojeno do výzkumu a vývoje fúzních technologií. Projekt SUSEN a navazující projekt R4S velmi významně podporují projekt fúzního tokamaku ITER v několika směrech. Významným příkladem tohoto směrování je zařízení HELCZA (High Energy Load Czech Assembly), které bylo vybudováno v jedné z experimentálních hal CVŘ v Plzni a je primárně určeno pro testování komponent termojaderného reaktoru ITER, jež budou ve styku s plazmatem. Jsou to především testy panelů první stěny reaktoru, vnitřních divertorových terčů a Faradayových antén radiofrekvenčního ohřevu. Tyto testy vyžadují testování tepelným tokem v řádu několika MW na metr čtvereční. Zařízení HELCZA je schopné dosáhnout tepelného toku až 40 MW/m², což ho řadí mezi špičková světová zařízení a v některých ohledech dosahuje dokonce světově unikátních parametrů.

V CVŘ jsme hrdí na skutečnost, že tato technologie byla vyvinuta, naprojektována a vyrobena v rámci spolupráce českých firem.

Srdcem celého zařízení je elektronové dělo o výkonu 800 kW, které je umístěno ve vakuové nádobě. Velkou výzvou byl i návrh tvaru a uchycení testovaných vzorků, protože teplota a teplotní gradienty, kterých je na vzorku dosahováno, jsou extrémní.

Technologie HELCZA, byť byla designována primárně pro účely testování pro termojaderný reaktor ITER, bude mít využití i pro mnoho jiných aplikací. Obecně je na takovém zařízení možné testování prakticky libovolných materiálů a díky velikosti samotné komory i relativně velkých vzorků. V našem zařízení tak bude možné testovat vysokým tepelným tokem například lopatky turbín, kotlové trubky nebo z exotičtějších aplikací třeba i tepelné štíty návratových modulů kosmických lodí.

Excelentní výzkumné a vývojové centrum, které se v CVŘ vytvořilo, nabízí českým výzkumným a průmyslovým organizacím a také vysokým školám příležitosti plynoucí z robustní infrastruktury reaktorů v Řeži, infrastruktury SUSEN a budoucího využití reaktoru JHR ve Francii, zejména ve smyslu zapojení českých organizací do mezinárodní spolupráce ve výzkumu a vývoji nových technologií. Kromě již uvedených projektů, jako je ITER, a konsorcií Fusion for Energy a Eurofusion se příležitost nabízí také ve využití největšího materiálového reaktoru Jules Horowitz, který mezinárodní konsorcium staví ve Francii a kde je CVŘ dodavatelem významné technologie – horkých komor. Česká republika, která tuto dodávku horkých komor financuje, bude disponovat značným podílem na budoucí kapacitě, což poskytuje novou příležitost pro české výzkumné organizace a vysoké školy. Horké komory v JHR jsou z více než 80 % dodávkami českých vývojových organizací a českého průmyslu, který prokázal schopnost naplnit vysoké standardy kvality za kompetitivní cenu. Projekt SUSEN je propojen přes členství CVŘ v Executive Committee (výkonném výboru) Evropské aliance pro výzkum v energetice (European Energy Research Alliance – EERA) s mezinárodními týmy a nabízí další možnosti uplatnění českých výzkumných pracovišť. Příkladem proaktivního přístupu CVŘ je projekt EUPRO, který je zaměřen na spolupráci českých vysokých škol s komunitou EERA. CVŘ zde nabízí propojení infrastruktur českých výzkumných organizací s infrastrukturou SUSEN a výzkumnými reaktory v Řeži. Příkladem může být také zapojení českých organizací do projektů Horizont 2020 nebo EURATOM právě přes členství CVŘ v EERA.

Centrum výzkumu Řež

Ing. Martin Ruščák, CSc., MBA, Ing. Daneš Burket, Ph.D.

Jiri.Kuf@cvrez.cz