Bachelor's Thesis

Study of the effect of irradiation on the properties of SiC/SiC composites for advanced fuel cladding

Final Thesis 1.89 MB

Author of thesis: Bc. Edita Leciánová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jaromír Wasserbauer, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Buchtík, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis focuses on the study of SiC/SiC composites intended for use in nuclear energy applications, particularly within the concept of Accident Tolerant Fuel (ATF). The theoretical part summarizes current knowledge on the properties of SiC/SiC composites, their manufacturing methods, degradation mechanisms, and potential applications in various types of nuclear reactors.
The experimental part is aimed at the characterization of a SiC/SiC composite produced by the company CTP (Ceramic Tubular Products) and at the comparison of the material properties in the initial and irradiated states after radiation exposure in the LVR-15 research reactor.
Scanning electron microscopy (SEM-EDS) was used to evaluate the microstructure and chemical composition, X-ray diffraction (XRD) was employed to monitor changes in the crystal structure, and the Ring Compression Test (RCT) was used to assess the mechanical behavior. Optical measuring system was used to evaluate the dimensional changes of the SiC/SiC cladding tube after irradiation.
The results indicate that irradiation led to shifts and broadening of diffraction peaks, changes in mechanical response, and dimensional changes of the cladding tube. Degradation of the interfaces between individual layers of the composite and increased brittleness after irradiation were observed. At the same time, it was found that despite a certain degree of degradation, the SiC/SiC composite retains its basic structural integrity.
The thesis also contributed to the optimization of sample preparation and handling of irradiated SiC/SiC specimens under hot and semi-hot cell conditions.

Keywords:

SiC/SiC composites; nuclear energy; radiation damage; SEM; XRD; mechanical properties; degradation mechanisms; Accident Tolerant Fuel.

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Studentka nejdříve při obhajobě práce Studium vlivu ozáření na vlastnosti SiC/SiC kompozitů pro pokročilá palivová pokrytí seznámila komisi s možnosti a důvodem použití SiC/SiC kompozitů pro ATF, postup přípravy těchto kompozitů, použitý materiál a podmínkyy ozařování. Ukázala výsledky SEM a EDS analýzyy, naměřené rozměrové změny po ozáření, RCT tlakového testu a XRD analýzy. Po shrnutí výsledků studentka přešla k otázkám oponenta: 1) Jak lze prokázat, že pozorovaný nárůst rozměrů vzorků je důsledkem neutronového ozáření a nikoliv důsledkem zaplavení sondy, působením vody nebo přítomnosti povrchových nečistot? 2) Co se týče mechanického testování (Obr. 13), lze opakované poklesy a nárůsty zatížení u ozářených vzorků připsat radiačně indukovanému poškození, nebo mohou souviset také s výrobní heterogenitou kompozitu? 3) Z grafu RCT zkoušek vyplývá, že ozářené vzorky dosahují v některých případech vyšší maximální síly i větší deformace než vzorky neozářené. Jak lze tento výsledek vysvětlit, když se obecně očekává degradace mechanických vlastností vlivem ozáření? Může mít vliv rozdílné kritérium ukončení zkoušky, nestandardní podmínky experimentu, heterogenita materiálu nebo např. radiační zpevnění? 4) Pokud EDS analýza u metalografického hodnocení neprokázala přítomnost bóru ani dusíku, na základě čeho je vrstva interpretována jako možná BN mezivrstva a nikoliv jako uhlíková mezivrstva? V kap. 6 dále uvádíte, že se může jednat o mezeru, která může souviset se zvoleným výrobním postupem. Po zodpovězení otázek oponenta komise položila tyto otázky: 1) Jak byla měřena rentgenová difrakce? 2) Kdo vyrábí SiC vlákna a jak? 3) C tvoří mezeru mezi vrstvami? Studentka na položené otázky velmi dobře odpověděla.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BKCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Posudek vedoucího bakalářské práce
Autor práce: Edita Leciánová Název práce: Studium vlivu ozáření na vlastnosti SiC/SiC kompozitů pro pokročilá palivová pokrytí Vedoucí práce: doc. Ing. Jaromír Wasserbauer, Ph.D. Akademický rok: 2025/2026
Hodnocení práce: Předložená bakalářská práce se zabývá aktuální problematikou vývoje pokročilých palivových pokrytí typu ATF (Accident Tolerant Fuel) pro jaderné reaktory, konkrétně hodnocením degradačních mechanismů kompozitních materiálů SiC/SiC po neutronovém ozáření. Téma bylo řešeno ve vazbě na experimentální programy realizované ve spolupráci s Centrem výzkumu Řež a výzkumným reaktorem LVR-15.
V teoretické části autorka zpracovala rešerši současného stavu poznání v oblasti ATF konceptů a vlastností keramických kompozitů. Oceňuji práci s aktuální zahraniční literaturou z let 2022–2025, což svědčí o schopnosti studentky samostatně vyhledávat relevantní vědecké zdroje. V textu se však objevují drobné terminologické nepřesnosti, jako je vytrvalé používání doslovného překladu „boronitrid“ namísto technicky správného označení nitrid boritý.
Experimentální část je zaměřena na po-radiační charakterizaci vícevrstvých SiC/SiC kompozitů od společnosti CTP. Autorka se musela vyrovnat se specifickými podmínkami a metodickými omezeními manipulace s aktivovanými vzorky v prostředí stíněných horkých a polohorkých komor. K hodnocení materiálu byla použita vhodná kombinace strukturních (SEM-EDS, XRD) a mechanických (RCT) metod.
Zatímco prezentace získaných dat je přehledná, v diskusní části se projevují limity při hlubší interpretaci naměřených výsledků. V textu chybí rigoróznější separace a diskuse jednotlivých experimentálních vlivů, což se projevuje jak při hodnocení rozměrových změn, kde nebyly plně rozklíčovány sekundární faktory prostředí a stavu povrchu, tak u mechanického testování (RCT). Zde autorka ponechala bez bližšího fyzikálního zdůvodnění některé nestandardní průběhy a anomálie deformačních křivek ozářených stavů, které měly být podrobněji konfrontovány s materiálovou heterogenitou nebo metodikou ukončení zkoušek. Určitou diskuzi si zaslouží také interpretace fázového složení mezivrstev na základě lokální chemické analýzy, kde vyvozené závěry občas narážejí na limity použité metody EDS a vykazují jistou nekonzistenci vzhledem k teoretickým předpokladům a pozorované mikrostruktuře.
Z hlediska přístupu k řešení úkolu je třeba vyzdvihnout vysokou míru samostatnosti autorky. Veškerou experimentální a praktickou činnost v Centru výzkumu Řež realizovala vlastním úsilím, stejně jako sepisování textu práce. Role vedoucího se omezila na minimální metodické konzultace. Na druhou stranu, právě tato izolovanost při samostatném zpracování výsledků vedla k tomu, že složitější datové anomálie nebyly se studentkou včas detailně zkonzultovány a v práci zůstaly adekvátně nerozebrány.
I přes uvedené nedostatky v diskusní části splňuje práce veškeré formální požadavky kladené na bakalářskou práci na FCh VUT a cíle zadání byly v základním rozsahu splněny.
Závěrečné hodnocení: Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji celkové hodnocení Velmi dobře (B).
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results C
Conclusions and Their Formulation B
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis B
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Buchtík, Ph.D.

Předložená bakalářská práce studentky Edity Leciánové se zabývá studiem SiC/SiC kompozitů určených pro jaderné aplikace a jejich chováním po ozáření. Zvolené téma je aktuální a odpovídá současnému výzkumu pokročilých materiálů pro palivová pokrytí a reaktory nové generace. Teoretická část práce je zpracována na velmi dobré úrovni. Studentka prokázala schopnost samostatně nastudovat odbornou literaturu a přehledně shrnout problematiku SiC/SiC kompozitů, jejich výroby, vlastností i degradačních mechanismů při ozáření. Text je logicky členěný a dobře navazuje na experimentální část. Experimentální část zahrnuje přípravu vzorků, rozměrová měření, XRD analýzu, SEM/EDS charakterizaci a mechanické zkoušky metodou RCT. Zvolené metody analýzy jsou adekvátní tématu. Za hlavní slabinu práce považuji interpretaci experimentálních výsledků. Přestože jsou výsledky prezentovány přehledně, jejich diskuze mohla být podrobnější. Některé závěry jsou formulovány spíše jako pravděpodobné interpretace než jako jednoznačně podložená zjištění. Experimentální výsledky byly částečně ovlivněny nestandardním průběhem ozařovací kampaně, během níž došlo k zaplavení sondy. Tato skutečnost snižuje možnost jednoznačně oddělit vliv ozáření od vlivu prostředí, nicméně nepředstavuje nedostatek práce studentky. Přes uvedené připomínky hodnotím práci jako dobře zpracovanou. Studentka prokázala dobrou orientaci v řešené problematice, a proto práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm C.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements B
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results D
Interpretation and Discussion of the Results D
Use of Literature and Citations A
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis B
Conclusions and Their Formulation B
Topics for thesis defence:
  1. Jak lze prokázat, že pozorovaný nárůst rozměrů vzorků je důsledkem neutronového ozáření a nikoliv důsledkem zaplavení sondy, působením vody nebo přítomnosti povrchových nečistot?
  2. Co se týče mechanického testování (Obr. 13), lze opakované poklesy a nárůsty zatížení u ozářených vzorků připsat radiačně indukovanému poškození, nebo mohou souviset také s výrobní heterogenitou kompozitu?
  3. Z grafu RCT zkoušek vyplývá, že ozářené vzorky dosahují v některých případech vyšší maximální síly i větší deformace než vzorky neozářené. Jak lze tento výsledek vysvětlit, když se obecně očekává degradace mechanických vlastností vlivem ozáření? Může mít vliv rozdílné kritérium ukončení zkoušky, nestandardní podmínky experimentu, heterogenita materiálu nebo např. radiační zpevnění?
  4. Pokud EDS analýza u metalografického hodnocení neprokázala přítomnost bóru ani dusíku, na základě čeho je vrstva interpretována jako možná BN mezivrstva a nikoliv jako uhlíková mezivrstva? V kap. 6 dále uvádíte, že se může jednat o mezeru, která může souviset se zvoleným výrobním postupem.

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová