Почему цирконий используется в ядерных реакторах?

Почему цирконий используется в ядерных реакторах?

Цирконий это редкий металл с удивительной коррозионной стойкостью, высокой температурой плавления, высокой твердостью и прочностью. Он широко используется в аэрокосмической, военной, ядерной и атомной областях. На видео ниже показан эксперимент, который объясняет, почему цирконий используется в ядерных реакторах .

Изначально цирконий не считался подходящим материалом для использования в ядерной промышленности, поскольку исследования показали, что влияние циркония на поглощение тепловых нейтронов может повлиять на эффективность ядерных реакторов. Позже исследователи из Института Ок-Ридж обнаружили, что 2,5% гафния в цирконии является причиной его большого сечения захвата тепловых нейтронов.

Цирконий и гафний связаны с рудой и, как правило, трудно отделить. До 1850-х годов адмирал в проекте «Морская ядерная двигательная установка» решил использовать цирконий в водоохлаждаемом реакторе атомной подводной лодки «Наутилус».

Хотя к тому времени в проекте уже использовался цирконий, строгих стандартов на использование циркония не существовало. , и исследователи знали только, что повышение чистоты циркония было бы хорошо для свойств сплава. Некоторые процессы используются для очистки полосового циркония, но он все еще содержит небольшое количество азота, что делает его менее устойчивым к коррозии при высоких температурах.

Наконец, исследователи поняли, что чистота не является ключом к коррозионной стойкости циркония, поскольку они обнаружили, что некоторые циркониевые материалы, содержащие примеси (например, олово, железо, хром и никель) были более устойчивы к коррозии, чем циркониевые материалы более высокой чистоты. Поэтому разработка циркониевых сплавов ставится в повестку дня.

Циркониевые сплавы имеют малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,185b) и удивительно устойчивы к коррозии, поэтому они широко используются в реакторах деления, таких как трубы с оболочкой из активной зоны, решетки и направляющие трубы в реакторах с кипящей водой, а также в реакторах, работающих под давлением. трубы и корпуса реакторов-отводчиков в реакторах с водой под давлением.

С помощью применения циркониевые сплавы В атомной энергетике быстро развивается циркониевая промышленность. В ядерном реакторе гигантских изменений ядерное топливо постоянно является реакцией деления.

В этой реакции нейтрон бомбардирует ядро ​​U235, которое распадается на Ba140 и Kr93, и одновременно выделяет два или три нейтрона; другие ядра U235 бомбардируются этими нейтронами и подвергаются повторному делению. Это цепная реакция деления.

Измерения поглощения водорода циркониевыми сплавами

Материал с большим поперечным сечением захвата нейтронов будет поглощать много нейтронов, когда они ударяются о стену, что снижает эффективность цепной реакции. Между тем цепная реакция выделяет много тепла, которое отводится циркулирующей охлаждающей водой (или другими хладагентами), чтобы избежать перегрева и повреждения реактора.

При контакте металлов с высокотемпературной водой они могут подвергнуться коррозии (окислению). Материалы с плохой коррозионной стойкостью необходимо часто заменять, что увеличивает стоимость и легко приводит к несчастным случаям, связанным с безопасностью.

Таким образом, циркониевые сплавы в качестве материалов оболочки и конструкционных материалов должны иметь низкое поперечное сечение захвата нейтронов и отличную коррозионную стойкость, поэтому разработку циркониевых сплавов следует отнести к атомная промышленность.

Заключение

Спасибо, что прочитали нашу статью - Почему цирконий используется в ядерных реакторах? и мы надеемся, что вам понравилось. Если вы хотите узнать больше о тугоплавком металле цирконий и его использование, вы можете посетить Advanced Refractory Metals (ARM). Мы предоставляем нашим клиентам высококачественные тугоплавкие металлы по очень конкурентоспособной цене.