České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská
Chemie provozu jaderných elektráren Zápočtová práce
Michal Šunka
Jak je známo, jaderné elektrárny mají tři chladící okruhy. V prvním, primárním, chladícím okruhu chladící voda obtéká a chladí samotné srdce elektrárny – reaktor. Z toho důvodu jsou na chladivo kladeny značné nároky jak z hlediska odvodu tepla, tak kvůli korozi, stínění a ovlivňování samotné štěpné reakce. V druhém okruhu je umístěn parogenerátor a turbína pro výrobu elektrické energie. Tedy voda musí být velmi čistá, aby se trubky nezanášely usazeninami. V třetím okruhu jsou relativně nízké nároky na kvalitu vody, jelikož se terciální chladící okruh užívá k dochlazování sekundárního okruhu a následné se voda nechává z části odpařit do ovzduší přes legendární komíny. Z toho nástinu je zřejmé že každý okruh má vlastní požadavky na kvalitu i množství chladiva, přesto příprava a zpracování je v mnoha ohledech podobná. První je nutné mechanicky odstranit pevnou fázi a následně se v čiřičích odstraňují rozpuštěné látky. Poté následuje výměna iontů na ionexových kolonách, během níž se zachytávají nežádoucí kontaminanty, za účelem získání demineralizované či deionizované vody. Lze také použít odpařování a následné čištění na ionexu. Z čištění ionexových kolon, odpadních vod, při čiření atd. vznikají kaly, které je kvůli jejich velkému objemu více než vhodné odvodnit čímž se sníží objem a tím nároky na prostor v úložišti. Při čištění radioaktivních vod (primární okruh, bazény vyhořelého paliva) vzniká nebezpečný odpad (kontaminované ionexy, kondenzáty z promývací vody), s kterým je nakládáno jako s radioaktivním a z toho důvodu se fixuje do „nosiče“ pomocí technologie cementace, bitumenace nebo vitrifikace a následně ukládá. Tomuto všemu je nutné věnovat pozornost v provozech jaderných elektráren a i zde se tímto budeme zabývat podrobněji. Také nahlédneme do problematiky ukládání radioaktivních odpadů a koroze.
1 Úpravárenské technologie 1.1 Předčištění Při doplňování chladících vod se bere prvotní vstup – surová voda – buď z řeky, a je nutné ji čisto od mechanických nečistot jako jsou větve a od hnojiv a podobných produktů. Nebo lze vodu brát z podzemních zdrojů a pak je nutné ji zbavit vyššího množství minerálních látek. V obou případech se však při odstraňování pevných fází využije filtr, kdy na filtrační přepážce či porézním materiálu zachytáváme pevnou fázi. Příklady takovýchto filtrů jsou pískový filtr, kalolis či rotační bubnový filtr. Lze přidat flokulační činidla, která způsobí agregaci částic a umožní vyšší filtrační rychlost. Také lze použít sedimentaci, kdy se pevná fáze nechá usadit u dna a následně se usazenina odstraní a čistá voda odčerpá. Nebo můžeme použít odstředivky, kde se v podstatě jedná o usazování pod vlivem odstředivé síly. 1.2 Čiření Jedná se o kontinuální proces, během něhož se odstraňují koloidní látky organické i anorganické, jemné disperze a rozpuštěné látky. Do čiřiče se zespoda přivádí čištěná voda smísená s flokulačními činidly. Tato činidla způsobí tvorbu vločkového mraku, na kterém se zachycují nečistoty.
Rychlost vody musí být taková, aby udržovala mrak ve vznosu, ale zároveň jej nesmí vyplavovat. Z toho důvodu se provádí ještě kontrolní filtrace. Vločkový mrak se z části trvale odtahuje. 1.3 Výměna iontů Tato technologie se užívá k čištění vod, kondenzátů brýdových par či odstraňování radioaktivních suspenzí. Jedná se o diskontinuální proces, při němž přes kolonu s měničem iontů (ionexem) prochází čištěná voda, z které ionex odtahuje nečistoty. Následně se kolona po nasycení kontaminanty postupně promyje, regeneruje a opět promývá, aby mohla být opět zapojena do provozu. Samotných ionexů je několik druhů: silně, středně a slabě kyselé měniče kationtů (katexy) a silně a slabě bazické měniče aniontů (anexy), chelátové ionexy a ostatní typy. Ionexy mají za skelet nejčastěji styrén-divinylbenzénový perlový kopolymer na který jsou připojeny různé funkční skupiny, které udávají, zda se bude jednat o silně kyselý katex, slabě bazický anex atd. Chelátové ionexy jsou speciální typy, které mají v určité oblasti pH vyšší selektivitu vůči barevným kovům. Princip jejich funkce je, že z roztoku přijmou nečistoty, ty se naváží na funkční a do roztoku uvolní H+ resp. OH- když se jedná o katex resp. anex. Jedná se o vratný stechiometrický proces. Koncentrace, jíž je ionex schopen maximálně přijmout, závisí například na složení, teplotě, tlaku, rychlosti toku, a dalším. V zásadě platí, že silně kyselý katex a silně bazický anex jsou schopny pracovat v celém rozsahu pH, slabě kyselý katex je pro pH > 7, středně kyselý katex dokáže částečně pracovat i v slabě kyselé oblasti pH a slabě bazický anex je pro pH < 7. Výjimkou jsou chelátové ionexy, například karboxylový katex je schopný sorbovat UO22+ už při pH > 3,5. Viz obrázky 1 a 2 převzaté z [1].
Obrázek 1: Titrační křivky anexů
Obrázek 2: Titrační křivky katexů Jednou z nejdůležitějších charakteristik ionexu je celková výměnná kapacita udávající za daných podmínek počet dostupných funkčních skupin v daném objemu či hmotnosti. Při užití v kolonách se může dynamická kapacita lišit od kapacity za standardních podmínek. Na obrázku 3 (zdrojem je publikace[1]) jsou znázorněny tři základní typy rovnovážných izoterem, jedná se o závislost koncentrace i-té složky v ionexu (qi) na koncentraci v roztoku (Ci). Čím je daná izoterma vypuklejší tím větší objem dané složky je schopná vázat, a čím vydutější, tím snáze se desorbuje – regeneruje.
Obrázek 3: Rovnovážné izotermy
Při styku ionexu s kapalnou fází dochází k absorbování rozpouštědla (vody) a následně k nabotnání ionexu a zvětšení jeho objemu. Míra botnání je funkcí stupně zesíťování skeletu (čím zesíťovanější, tím méně botná), druhem funkčních skupin, pH, formy ionexu a složení kapalné fáze obecně. Ionexy mají různou porezitu a při botnání se ještě projevuje i případná skrytá porezita. U novějších typů existuje makroporezita. Porezita ionexových částic ovlivňuje kinetiku výměny a při ucpání pórů velkými organickými molekulami (z povrchových vod) může dojít k ovlivnění kinetiky a případně ke snížení sorpční kapacity. Tomu lze předejít předchozím čiřením či speciálním sorbentem. U ionexů rozlišujeme odolnost mechanickou, chemickou, tepelnou radiační a osmotickou. Mechanická odolnost udává, zda má ionex tendenci popraskat či se odírat/obrušovat o jiné ionexové částice. Chemická odolnost je především pro organické skelety dobrá, jen je potřeba dávat pozor při vyšších koncentracích silně oxidačních resp. redukčních činidel. Tepelná odolnost je limitována stabilitou funkčních skupin, kdy katexy (organické do 70°C) jsou odolnější než anexy (organické do 50°C) a anorganické jsou výrazně odolnější než organické. Toho lze využít pro čištění primárního okruhu bez předchlazení. Radiační odolnost je u anorganických ionexů vyšší, ale i organické jsou pro čištění primárního okruhu plně postačující. Odolnost vůči osmotickým šokům (tj. expanze částice a následné smrštění) se uplatňuje tehdy, pokud částice přichází do kontaktu s různým pH, různými koncentracemi a podobně. Měla by být udávána výrobcem. Samotné použití je v kolonách, kdy voda protéká kolony s pevnou vrstvou ionexů shora dolů a během průchodu se z ní desorbují minerální látky v iontových formách i slabé kyseliny (především křemičitá či uhličitá). Po tomto pročištění se jedná o demineralizovanou vodu (DEMI-vodu). Samotných kolon je různý počet nejméně však dvě kdy první (ve směru proudící vody) obsahuje silně kyselý katex v H+ formě a druhá obsahuje silně bazický anex v OH- formě. Ke kontrole vysycení katexu lze využít faktu, že výstup při správné funkci má kyselé pH. Jelikož objemová výměnná kapacita silně kyselého katexu může být až dvojnásobná tak za účelem stejného vysycení katexu i anexu musí být anexová kolona úměrně větší. Protože jsou karbonáty na výstupu z katexové kolony ve formě kyseliny uhličité tak je s výhodou odvětráváme vzduchem, aby nesnižoval sorpční kapacitu pro ostatní anionty. Pro ekonomizaci procesu se využívá vřazení slabě bazického anexu mezi silně kyselý katex a silně bazický anex, kde vyměňuje anionty silných kyselin a šetří kapacitu silně bazického anexu pro anionty slabých kyselin. Také pomáhá snížit náklady na regeneraci anexů jako celku, jelikož k regeneraci lze použít odpadní louh z regenerace silně bazického anexu. Pokud je nutno odvětrávat, tak se tak provádí až po koloně se slabě bazickým anexem. Další úspory se dosáhne zařazením kolony se slabě kyselým katexem za silně bazický anex, kde zkracuje dobu promývání a šetří DEMI-vodu jenž se musí užít k promytí silně bazického anexu. Také mě několikanásobně vyšší objemovou kapacitu, takže kolony s ním mohou být výrazně menší a nemusí se tak často regenerovat. Pokud stačí z vody pouze odstranit všechny kationty a dále anionty silných kyselin tak se použije sestavy silně kyselý katex a slabě bazický anex. Pokud je potřeba tak se na konec zařazuje odvětrávání. Jelikož se při pracovním cyklu (v primárním okruhu) ionex stává radioaktivním a po promývání i regeneráty, tak je s nimi nutno také tak zacházet. Například nádrže na radioaktivní regeneráty a ionexy musí být hermeticky uzavřené a odvětrávané do systému čištění plynných radioaktivních odpadů.
Na obrázku 4 (z [1]) je znázorněna koncentrace vyměňovaných nečistot na výstupu z kolony v závislosti na proteklém objemu pro dvě různé průtokové rychlosti. Jak lze snadno nahlédnout při vyšší rychlosti je dříve dosaženo mezní koncentrace kdy je nutno kolonu odstavit a zregenerovat. Neplatí však přímá úměra, a rychlost dosažení mezní koncentrace je ovlivněna i charakterem toku a teplotou. Plocha nad křivkou vymezená průnikovou koncentrací je úměrná užitkové sorpční kapacitě, plocha nad celou křivkou je úměrná celkové kapacitě. V praxi křivka nezačíná v počátku, ale je posunuta, někdy i nad průnikovou koncentraci. Po protečení cca 0,5 až 1 objemu vody klesá na hodnotu blízkou nule.
Obrázek 4: Průnikové křivky v závislosti na průtokové rychlosti Samotné zařízení může pracovat kontinuálně, polokontinuálně či diskontinuálně. Pro výrobu napájecí vody pro výrobu energetické páry se zpravidla využívají diskontinuální zařízení s tzv. pevnou vrstvou ionexu. Výjimečně se přistupuje k externí regeneraci, kdy se regeneruje ve zvláštní koloně. Také existují kolony se směsným ložem – MIXED-BED kdy se využijí dva typy ionexů, které se co nejlépe před pracovním cyklem promíchají. Před regenerací se uvedou do vznosu a tím se kvůli rozdílným měrným hustotám rozdělí, a jsou následně samostatně regenerovány. A to buď promýváním odshora roztokem NaOH a spodní část (katexová) poté regeneračním roztokem kyseliny, a nakonec se vše promyje DEMI-vodou. Nebo (což je technologicky výhodnější) se katex regeneruje zezdola a shora se přivádí DEMI-voda a společně se odvádí scezovacím roštem umístěným mezi vrstvami ionexů. Poté se katex promývá zezdola DEMI-vodou. Anex se regeneruje analogicky. Pro oba postupy se následně ještě promíchá tokem zezdola a tlakovým vzduchem aby se vrstvy propojily. DEMI-voda z MIXED-BED kolony je kvalitnější, ale jelikož musí mít částice ionexu stejnou zrnitost a co nejužší distribuci velikostí, tak jsou také dražší a zařazují se na konec klasických kolon při přípravě velmi čisté DEMI-vody.
Postup při desorpci kolon s pevným ložem se první pere (zpětně promývá) zespoda tlakovou vodou tak, aby se objem zvýšil o 50 až 100 % (proto se kolony plní jen asi z poloviny). Účelem je odstranit mechanické nečistoty, bublinky, kanálky a ionex nakypřit; může také využít propírání stlačeným vzduchem. Katexy se perou čiřenou vodou, anexy buď výstupem z katexové kolony, DEMIvodou či deionizovanou vodou. Dalším krokem je regenerace. Jelikož je nejdůležitější operací ovlivňující kvalitu výsledné vody, je nutné přesně dodržet veškeré požadavky na koncentraci, teplotu, rychlost, trvání, atd. Katexy se regenerují roztoky surové či předupravené vody, anexy DEMI-vodou či deionizovanou vodou. Promývání může být buď zdola nahoru, shora dolů či proti sobě. Poté následuje vymývání, kdy se promývací voda v první fázi pouští stejnou rychlostí jako regenerační roztok aby se odstranily zbytky regeneračního roztoku a výměnou vytěsněných iontů. V druhé fázi se promývá rychlostí jako při pracovním období. Používá se pro katexy surová či předupravená voda, pro anexy DEMI-voda či deionizovaná voda. Poté při najíždění do provozu je ještě první asi ½ objemu kolony poněkud znečištěná, ale postupně dosáhne požadované kvality. Pracovní období končí překročením koncentrace sledovaných složek, vodivosti atp. 1.4 Odpařování Užívá se k separaci rozpouštědla (zde vody) od netěkavých nečistot. Pokud se netvoří pěny tak je proces velmi účinný (dekontaminační faktor až 106). V provozu se jedná o kontinuální proces, z kterého vystupuje jednak zahuštěný podíl a jednak brýdové páry. 1.5 Solidifikace radioaktivních odpadů Užívá se k fixaci kontaminantů do skeletu nosiče organické či anorganické povahy, který musí být natolik odolný, aby vydržel působení vody, času a atmosférických podmínek a nedocházelo k jejich uvolnění. V jaderné elektrárně se využívá cementace (umístění do cementového kamene), bitumenace (smísení s roztaveným bitumenem) a vitrifikace (smísení s roztavenou sklovinou; k ukládání vysoce aktivních odpadů).
2 Některé radiochemické zvláštnosti provozu JE V primárním okruhu dochází k radioaktivní kontaminaci a částečně i ke kontaminaci vod v bazénech s vyhořelým palivem v důsledku úniku štěpných produktů z palivových elementů z mikrotrhlin, kvůli neutronové aktivaci korozních produktů nebo jinými radiochemickými reakcemi probíhajícími v podmínkách primárního okruhu. Při kontrole radioaktivity se sledují především jód a cesium jako referenční prvky. Radioaktivní izotopy korozních produktů konstrukčních materiálů vznikají záchytem neutronů při (n,γ) reakci a vznikají tak radioaktivní izotopy například 51Cr, 63Ni, 60Co, 56 Mn, 59Fe. Jako další radionuklidy, přispívající k radioaktivitě vod jsou zajímavé především tritium 3H, draslík 42K, sodík 24Na a lithium 7Li. Tritium jako prakticky jediný nuklid není zachycován a ukládán v odpadech. Aby se nepřekročila maximální povolená koncentrace tak se průběžně část vody odpouští do kapalných odpadů a následně do vodoteče. Tritium vzniká přeměnou bóru 10B(z kyseliny borité, jíž se reguluje neutronový tok) reakcí (n,2α). Také vzniká z deuteria 2H reakcí (n,γ), a pokud se k úpravě pH na primárním okruhu využívá LiOH tak rovněž vzniká z 6Li reakcí (n,α). Draslík 42K a sodík 24Na vznikají reakcí (n,γ) z 41K respektive 23Na. Aktivita 42K je poměrně malá, ale protože aktivita 24Na je cca o řád vyšší, takže se k úpravě pH primárního okruhu nepoužívá NaOH. Lithium 7Li je stabilní izotop
který vzniká z bóru 10B reakcí (n,α) a během kampaně VVER 440 ho může vzniknout až 800g a díky tomu je možné snížit až odstavit neutralizaci pomocí KOH.
3 Procesy úpravy neaktivních vod a kalů 3.1 Schéma úpravy neaktivních vod a kalů Na obrázku 4 je schematicky znázorněno propojení procesů úpravy neaktivních vod a kalů v jaderné elektrárně, včetně napojení na vodoteč a do úložiště neaktivních kalů.
4 Procesy úpravy radioaktivních vod 4.1 Kontinuální čištění chladiva primárního okruhu Systém udržuje požadovanou kvalitu chladiva primárního okruhu, chlazení vody před ionexovou stanicí a její zpětný ohřev před vstupem zpět do primárního chladícího okruhu, ohřev doplňované vody, počáteční zaplnění, vyprazdňování a odpouštění chladiva z primárního okruhu. Toto se děje na dvou samostatných linkách A a B. V lince A je kolona s 1,2m3 silně kyselého katexu a kolona s 1,2m3 silně bazického anexu. V lince B je MIXED-BED v němž je po 0,6m3 obou ionexů. V MIXED-BED se náplň neregeneruje, v pevných ložích se anex regeneruje 2x za kampaň, anex jedenkrát a každé tři měsíce se obě lože kypří. Po skončení kampaně se ionexy z obou linek vymění za nové a použité se ukládají do skladů odpadních ionexů. 4.2 Schéma úpravy radioaktivních vod S veškerými kapalinami, pevnými látkami (jako například ionexy) i vzduchem, který přišel, nebo mohl přijít, do styku s radioaktivitou musí výt náležitě nakládáno. Pevné látky se ukládají, vzduch a kapaliny se filtrují a následně se odpad ukládá. I při transportu je nutné s tímto počítat. Například při přepravě zahuštěných radioaktivních odpadů (RAO) do skladu RAO v monžících (vzduchotěsný kontejner pro přepravu kapaliny, obsah je vytlačován tlakovým vzduchem) je tlakový vzduch užitý k přečerpávání čištěn. Celé schéma provázání je na obrázku 5.
Obrázek 4: Procesy úpravy neaktivních vod a kalů
Obrázek 5:Procesy úpravy radioaktivních vod a odpadů
5 Zpracování radioaktivních odpadů 5.1 Kapalné odpady Během roku jediný blok VVER 440 vyprodukuje přibližně 200m3 zahuštěných kapalných radioaktivních odpadů ze systému čištění odpadních vod. Také je nutné uskladnit ionexové náplně, které jsou vysycené, vyměněné, nebo byly zachyceny v lapačích ionexů. Cílem je tyto odpady uskladnit v takovém stavu a formě, aby neohrožovaly životní prostředí a obyvatelstvo. Prostředkem je především solidifikace – zpevnění. Jedná se o fixování odpadu v cementovém kameni (pak mluvíme o procesu cementace), smísení s roztaveným bitumenem (bitumenace), zatavování do skla (vitrifikace nebo zpevnění organickými polymery. V jaderné elektrárně se užívají především cementace a bitumenace. Vzniklý produkt – solidifikát – musí splňovat řadu kritérií prokazujících jeho bezpečnost a stabilitu. Například rozpustnost ve vodě, mechanická odolnost, chemická, radiační a biologická stálost nebo hořlavost. 5.1.1 Cementace Existují dva základní postupy (oba kontinuální i diskontinuální), buď se přímo cementují kapalné RAO, nebo se cementuje kalcinát (kapalné RAO se zahustí do sucha při teplotě <= 300 °C, tento postup se používá jen zřídka). Vlastnosti solidifikátu jsou závislé na chemickém složení RAO i cementu samotného, stupni plnění, typu cementu, přísadách či poměru voda/cement. Při ekonomizaci je důležitý stupeň plnění solidifikátu odpadem a změna objemu. Při přímé cementaci se jedná o stupeň plnění cca 7% a vzrůst objemu 1,5krát. Pro cementaci kalcinátu je plnění až 40% a objem solidifikátu je menší než objem RAO. Před samotnou cementací je nutno RAO upravit tak, aby pH bylo cca 10,5, rozpustné boráty a sírany byly ve formě méně rozpustných Ca-solí a ionexy byly v Ca2+ formě nebo tepelně upravené (sušením, kalcinací). 5.1.2 Bitumenace Opět existují dva základní postupy, buď se přímo bitumenují kapalné RAO, nebo se bitumenuje kalcinát RAO, odpadních ionexů či popela ze spalitelných odpadů. I zde lze obojí vést kontinuálním i diskontinuálním způsobem. Bitumen je vysokomolekulární uhlík získaný při rafinaci ropy nebo dehtu, v přírodě se nachází jako asfalt. Jeho výhodou je nerozpustnost ve vodě, vysoká odolnost vůči vodě i chemikáliím, biologická netečnost, vysoká mechanická odolnost, levná cena a dostupnost. Mezi nevýhody patří malá tepelná odolnost, hořlavost, malá tepelná vodivost a menší radiační stálost. 5.1.3 Vitrifikace Při tomto postupu se RAO spolu s fixačními přísadami dávkují do pece vyhřívané na 900 až 1150 °C. Poté se tavenina vypouští do kontejnerů s kontrolovaným poklesem teploty (1°C za minutu). Z 1m3 koncentrovan7ch RAO vznikne přibližně 200kg solidifikátu o objemu 100 litrů. Jako fixační přísady se používají skla, čedič nebo syntetické horniny. Mezi výhody patří velmi malá loužitelnost, vysoká hydrolytická a tepelná stálost, vysoká chemická a radiační odolnost, vysoká objemová redukce RAO a nehořlavost, což jej činí velmi výhodným především pro vysokoaktivní odpady. Mezi nevýhody patří zejména značná energetická a ekonomická náročnost a citlivost na složení RAO.
5.2 Pevné odpady Mezi pevné radioaktivní odpady patří kontaminované hadry, papíry, čistící materiály, ochranné pomůcky (oděvy, rukavice, obuv, a podobné, konstrukční materiály, těsnící prvky vyřazené součástky a podobné. Jako pevný radioaktivní odpad není klasifikováno vyhořelé jaderné palivo. Cílem je před trvalým uložením vytřídit neaktivní odpady, dále roztřídit dle lisovatelnosti a aktivity. Neaktivní odpady je pak vhodné ukládat zvlášť. Radioaktivní odpady se upravují lisování v sudech, spalováním látek organického charakteru nebo solidifikací sypkých odpadů. 5.3 Trvalé ukládání RAO Pro trvale uložený odpad je nutno zajistit, že nezvýší radiační zátěž obyvatele o více než 10µSv za rok a obyvatelstva celkově o více než 1manSv za rok. Při předpokladu, že radionuklidy se mohu do životního prostředí uvolnit pouze po zatopení úložiště vodou, jsou jako protiopatření využívány schopnosti solidifikátu udržet kontaminanty. Dále se využívá obal solidifikátu (stěna sudu), stěny a izolace úložiště (stavební a inženýrské bariéry) i schopnost samotného geologického podloží vázat kontaminanty. Například v Jaderné elektrárně Dukovany má úložiště podobu dvou dvouřad nadzemních železobetonových jímek (2x28 jímek v dvouřadě) o rozměrech 6x18x5,5m. Solidifikované odpady jsou uloženy v 200 litrových sudech, jichž se do každé jímky ukládá maximálně 1800. Po zaplnění jímky se zakryje panely. Po zaplnění dvouřady se celá pokryje izolací, zeminou a zatravní se. Zjednodušené schéma je na obrázku 6 převzatého z [1].
Obrázek 6: Schéma úložiště RAO v JE Dukovany
6 Koroze Korozi lze popsat jako samovolně probíhající proces znehodnocování materiálu působením okolního prostředí. Ztráty, které způsobuje, jsou přímé (náklady na výrobu zařízení, opravy, údržbu či ochranu), nepřímé (ztráty kvůli zastavení výroby způsobené poškozeným zařízením) a ostatní (výbuchy ohrožení, smrt). Příčinou koroze jsou chemické reakce a fyzikálně-chemické děje, které svým působením (difúzí, fotooxidací,…) znehodnocují materiál a převádějí jej do stavu s nižší Gibbsovou energií. Jelikož je princip koroze nezvládnutelný tak se hledají alespoň způsoby jak ji co nejvíce zpomalit. V tom také pomáhá poznávání zákonitostí a principů koroze a zní vzniklá teorie koroze. Jelikož je koroze přechod do stavu s nižší Gibbsovou energií tak jejím výpočtem v závislosti na daných podmínkách lze určit pravděpodobnost koroze, případně určit podmínky, za nichž bude probíhat. Koroze může probíhat v elektrolytu, kdy dochází k oxidaci kovu a redukci některé složky prostředí. Díky vodivosti elektrolytu mohou tyto děje probíhat na různých místech. V plynu je koroze závislá na (parciálním) tlaku kyslíku a teplotě. Rychlost koroze se stanovuje experimentálně a je funkcí povrchu elektrody, molární hmotnosti látky počtu elektronů vyměněných během elementární reakce a okamžité proudové hustoty. Pro kov v roztoku svých iontů platí, že reakce se zastaví, pokud jsou anodický, katodický a výměnný proud stejné. Pokud nejsou, tak se kov bude rozpouštět, pokud budou od povrchu odebírány jeho kationty. Na průběhu koroze se podílejí dva děje: vlastní reakce a přenos reagujících látek. Celková rychlost je ovlivněna aktivačním přepětím (brzdí danou reakci v závislosti na kovu, prostředí a teplotě), koncentračním přepětím (limitní difúzní proudová hustota) a celkovou polarizací. Rovnovážný elektrodový potenciál v elektrolytu se nazývá korozním potenciálem. Látky zajišťující odvod elektronů a tím katodickou reakci se nazývají depolarizátory. Depolarizátorem může být vodík, kyslík nebo elektrony při redukci kationtů. O rychlosti reakce rozhoduje rozdíl mezi redox potenciálem prostředí a potenciálem kovu. U některých kovů se za jistých podmínek (pH, přítomnost některých aniontů v roztoku) tvoří nerozpustné korozní produkty, které brání dalšímu přenosu elektronů a hmoty a tím brzdí reakci, tomuto stavu říkáme pasivita. Koroze pak může probíhat v aktivním, pasivním případně transpasivním stavu. Rozeznáváme několik druhů korozního napadení: rovnoměrné, bodové, štěrbinové, mezikrystalové, selektivní, pod napětím, nebo korozní únavu. V plynech při oxidaci kyslíkem je orientačním ukazatelem stability oxidového filmu poměr atomárního objemu kovu k molárnímu objemu oxidu. Pokud je poměr menší než jedna tak se jedná o částečné pokrytí a nedostatečnou ochranu. Pokud je poměr vyšší než jedna, je povrch pokryt a chráněn. Pokud je ale mnohem vyšší než jedna, tak se jedná o tlustou vrstvu, v níž jsou pnutí. Při oxidaci vodíkem je kov ochuzován o hlavní zpevňující složku, vzniká metan a ten vyvolává tlak vedoucí až k trhlinám. Vodík koroduje také nekovové materiály. Při odhadování intenzity koroze lze vyházet z korozního prostředí. Čím vyšší je redox potenciál prostředí, tím ušlechtilejší kovy budou korodovat. Pokud koroze probíhá v aktivním stavu, tak probíhá velkou rychlostí a rovnoměrně, v metastabilním stavu je nebezpečí bodové koroze, v pasivním probíhá rovnoměrně, ale pomalu a v transpasivním stavu probíhá koroze velkou rychlostí. Pokud jsou kovy ve vodivém styku tak se ustaví společný korozní potenciál a mluvíme o korozním makročlánku. Proti korozi lze bojovat (rozuměno zpomalovat, nelze jí zastavit) několika způsoby. Při samotném návrhu lze zvolit odolnější materiál (ušlechtilejší kov, jiné legury, plasty, keramika). Také lze změnit prostředí za jiné, méně agresivní, nebo jej upravit (odstranit vlhkost, kyslík, upravit pH).
Dále lze kov převést do stavu pasivace či materiál izolovat různými povlaky, nátěry nebo izolačními vrstvami. Také lze použít obětovanou anodu, kdy koroduje anoda, jíž jsme přidali, nikoliv součástka.
Zdroje: [1] Chemie provozu jaderných elektráren, učební texty – přepracované vydání z 11. 6. 2007, Doc. Ing. Karel Štamberg, CSc., Ing. Rostislav Silber, CSc.
