Использование циркония в ядерных реакторах

Цирконий - это переходный металл серебристо-серого цвета. Он очень пластичен, обладает высокой пластичностью и образует стабильные соединения. Циркониевые сплавы применялись и использовались в разных секторах и по-разному. Одно из главных его привлекательных свойств - устойчивость к коррозии.

Используется в среде с высокой склонностью к коррозии; Циркониевые материалы используются в трубах, теплообменниках, фитингах и т. Д. Цирконий также используется в стальных сплавах, цветном глазури, кирпиче, керамике, абразивах, нити ламп, искусственных драгоценных камнях и т. Д. Цирконий также находит применение в производстве каталитических нейтрализаторов. кирпичи для печей, лабораторные тигли, хирургические инструменты, телевизионное стекло и т. д.

В этой статье мы обсудим применение циркония в ядерных реакторах.
Циркониевые сплавы обладают превосходными свойствами и используются в качестве трубок оболочек твэлов и в других конструкционных материалах, используемых при строительстве ядерных реакторов.

Обработка циркония

Цирконий обычно присутствует с другими элементами, особенно с его аналогом в нижней строке таблицы Менделеева:гафнием. Большинство руд циркония содержат 1,5–2,5% гафния.

Гафний имеет высокое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, поэтому его необходимо удалить из циркониевой руды, прежде чем использовать для каких-либо ядерных применений.
Обработка промышленных компонентов циркониевого сплава довольно сложна из-за его химической активности с кислородом.

Циркониевый сплав

В состав сплава циркония ядерного качества входит 95% циркония и менее 2% олова, железа, хрома, никеля и других металлов. Эти металлы добавляются для улучшения коррозионной стойкости сплава и повышения его механической прочности.

Использование циркониевых сплавов в качестве облицовочных материалов

Цирконий используется в качестве материала оболочки ядерных реакторов. Он обеспечивает покрытие цилиндрических топливных стержней, используемых в ядерных реакторах. Обычно циркониевую оболочку набивают таблетками оксида урана или любым другим расщепляющимся материалом.
Оболочка твэлов - это внешняя часть твэлов. Обычно он находится между теплоносителем реактора и ядерным топливом. Цирконий - лучший металл для большинства ядерных реакторов из-за его способности легко поглощать несколько электронов, которые имеют тенденцию уходить во время реакции деления. Он также используется из-за его высокой стойкости к химическим веществам и термической коррозии. Цирконий имеет очень низкое сечение поглощения тепловых нейтронов.

Циркониевый сплав используется для облицовки из-за его свойств. Он предотвращает выход радиоактивных продуктов деления из топливной матрицы, попадание в теплоноситель реактора и его загрязнение. Из-за своей охлаждающей способности цирконий используется как хороший металл для облицовки.

Ядерные реакторы должны быть построены из материалов с низким поглощением нейтронов. Это связано с тем, что большое количество нейтронов, образующихся в результате реакции, должно свободно взаимодействовать одновременно со всем ядерным топливом, заключенным в сотнях топливных стержней. Это обеспечивает поддержание необходимой цепной реакции внутри активной зоны реактора.

Циркониевая оболочка, представляющая собой сплав циркония с другими металлами, такими как олово, железо, никель и хром, используется в топливных стержнях атомных электростанций, а также в военных реакторах.

Использование циркониевых сплавов в реакторах с водяным охлаждением

Самая высокая температура, при которой циркониевые сплавы остаются эффективными в реакторах с водяным охлаждением, определяется их коррозионной стойкостью. Циркониевые сплавы, такие как циркалой, который содержит олово в качестве основного легирующего элемента, обладают высокими механическими свойствами из-за присутствия олова. Циркалой в основном используется в ядерных реакторах в разных частях мира.

Окисление циркониевых сплавов

В атомной отрасли изучали процесс окисления циркониевых сплавов и реакцию циркония с топливом и паром в случае ядерных аварий. Были сделаны различные отчеты об окислении циркониевых сплавов при температурах от 800 К и ниже.
Вода в сочетании с цирконием при температуре 300 ° C окисляет металл с образованием твердого оксида на поверхности металла. Скорость окисления зависит от давления кислорода или водяного пара.

Важность использования циркония в качестве облицовки

Одно из основных применений циркония - это оболочка ядерных реакторов. Цирконий в качестве материала оболочки предотвращает утечку радиоактивных продуктов деления из топливной матрицы в теплоноситель реактора, вызывая загрязнение.
Отсутствие оболочки может вызвать утечку твэлов. Это приведет к:
● Перемещение стабильных и радиоактивных продуктов деления, таких как ксенон, йод или криптон, в первый контур.
● Может вызывать осаждение долгоживущих изотопов, таких как цезий, стронций, технеций, в первичном контуре.
● Повышает общий уровень облучения контура.

В целом циркониевые сплавы останутся актуальными на ядерном рынке, поскольку они помогают улучшить характеристики топлива, позволяя увеличить выгорание топлива и снизить частоту отказов. Циркониевые сплавы останутся лучшим выбором для оболочки тепловыделяющих элементов в водяных и ядерных реакторах. Это связано с его высокой устойчивостью к коррозии и низким сечением захвата тепловых нейтронов.