Het gebruik van zirkonium in kernreactoren

Zirkonium is een zilvergrijs overgangsmetaal. Het is zeer kneedbaar en heeft hoge ductiele eigenschappen en vormt stabiele verbindingen. Zirkoniumlegeringen worden in verschillende sectoren en op verschillende manieren toegepast en gebruikt. Een van de belangrijkste aantrekkelijke eigenschappen is dat het bestand is tegen corrosie.

Het wordt gebruikt in een omgeving met hoge corrosieve neigingen; Zirkoniummaterialen worden gebruikt in buizen, warmtewisselaars, fittingen, enz. Zirkonium wordt ook gebruikt in staallegeringen, gekleurde glazuren, bakstenen, keramiek, schuurmiddelen, lampfilamenten, kunstmatige edelstenen, enz. Zirkonium vindt ook toepassing bij het maken van katalysatoren, ovenstenen, laboratoriumkroezen, chirurgische instrumenten, televisieglas, enz.

In dit artikel bespreken we de toepassing van zirkonium in kernreactoren.
Zirkoniumlegeringen hebben uitstekende eigenschappen en worden gebruikt als brandstofbekledingsbuizen en in andere structurele materialen die worden gebruikt om kernreactoren te bouwen.

Verwerking van zirkonium

Zirkonium is meestal aanwezig met andere elementen, vooral zijn tegenhanger in de onderste rij in de tabel van Mendelejev:Hafnium. De meeste ertsen van zirkonium bevatten 1,5 – 2,5% hafnium.

Hafnium heeft een hoge thermische neutronenvangstdwarsdoorsnede, dus het moet uit het zirkoniumerts worden verwijderd voordat het voor nucleaire toepassingen wordt gebruikt.
De verwerking van industriële componenten van een zirkoniumlegering is nogal complex vanwege de reactiviteit met zuurstof.

Zirkoniumlegering

De samenstelling van een zirkoniumlegering van nucleaire kwaliteit omvat 95% zirkonium en minder dan 2% is gemaakt van tin, ijzer, chroom, nikkel en andere metalen. Deze metalen worden toegevoegd om de corrosieweerstand van de legering te verbeteren en de mechanische sterkte te verbeteren.

Gebruik van zirkoniumlegeringen als bekledingsmaterialen

Zirkonium wordt gebruikt als bekledingsmateriaal in kernreactoren. Het biedt dekking voor de cilindrische splijtstofstaven die worden gebruikt om kernreactoren aan te drijven. Gewoonlijk is de zirkoniumbekleding verpakt met uraniumoxidepellets of een ander splijtbaar materiaal.
Brandstofbekleding verwijst naar het buitenste deel van brandstofstaven. Het bevindt zich meestal tussen het koelmiddel van de reactor en de splijtstof. Zirkonium is een topmetaal voor de meeste kernreactoren vanwege het vermogen om gemakkelijk enkele van de elektronen te absorberen die de neiging hebben om te ontsnappen tijdens een splijtingsreactie. Het wordt ook gebruikt vanwege de hoge weerstand tegen chemicaliën en hittecorrosie. Zirkonium heeft een zeer lage absorptiedoorsnede voor thermische neutronen.

Zirkoniumlegering wordt vanwege zijn eigenschappen gebruikt voor bekleding. Het voorkomt dat radioactieve splijtingsproducten de brandstofmatrix verlaten en in de reactorkoelvloeistof ontsnappen en deze besmetten. Vanwege zijn koelvermogen wordt zirkonium gebruikt als een goed metaal voor bekleding.

Kernreactoren moeten worden gebouwd met materialen met een lage neutronenabsorptie. Dit komt omdat grote aantallen neutronen die door de reactie worden geproduceerd, vrij moeten zijn om gemakkelijk gelijktijdig te kunnen interageren met alle nucleaire brandstof die zich in honderden splijtstofstaven bevindt. Dit zorgt ervoor dat de noodzakelijke kettingreactie in de kern van de reactor in stand wordt gehouden.

Zirkoniumbekleding, een legering van zirkonium met andere metalen, zoals tin, ijzer, nikkel en chroom, wordt gebruikt in de splijtstofstaven van kerncentrales en ook in in militaire reactoren.

Gebruik van zirkoniumlegeringen in watergekoelde reactoren

De hoogste temperatuur waarbij zirkoniumlegeringen effectief blijven in watergekoelde reactoren, wordt bepaald door hun corrosieweerstand. Zirkoniumlegeringen zoals zircaloy, dat tin als het belangrijkste legeringselement bevat, hebben hoge mechanische eigenschappen door de aanwezigheid van tin. Zircaloy wordt meestal gebruikt in kernreactoren in verschillende delen van de wereld.

Oxidatie van zirkoniumlegeringen

Nucleaire industrieën hebben het proces van de oxidatie van zirkoniumlegeringen en de reactie van zirkonium met brandstof en stoom in het geval van nucleaire ongevallen bestudeerd. Er zijn verschillende rapporten gedaan met betrekking tot de oxidatie van zirkoniumlegeringen bij temperaturen van 800k en lager.
Water gecombineerd met zirkonium bij een temperatuur van 300°C oxideert het metaal tot een vast oxide op het metaaloppervlak. De snelheid van oxidatie hangt af van de zuurstofdruk of waterdamp.

Belang van het gebruik van zirkonium als bekleding

Een van de belangrijkste toepassingen van zirkonium is de bekleding van kernreactoren. Zirkonium als bekledingsmateriaal voorkomt het ontsnappen van radioactieve splijtingsproducten uit de brandstofmatrix in de reactorkoelvloeistof, waardoor verontreiniging ontstaat.
Door het ontbreken van een bekleding kunnen splijtstofstaven gaan lekken. Dit zou leiden tot:
● Beweging van stabiele en radioactieve splijtingsproducten zoals xenon, jodium of krypton naar het primaire circuit.
● Kan ertoe leiden dat langlevende isotopen zoals cesium, strontium en technetium zich op het primaire circuit afzetten.
● Verhoogt het algemene stralingsniveau van het circuit.

Over het algemeen zouden zirkoniumlegeringen relevant blijven in de nucleaire markt, omdat ze de brandstofprestaties helpen verbeteren door hogere brandstofverbranding en lagere uitvalpercentages mogelijk te maken. Zirkoniumlegeringen zouden de beste keuze blijven voor het bekleden van splijtstofstaven in de water- en kernreactoren. Dit komt door de hoge weerstand tegen corrosie en de lage vangstdwarsdoorsnede voor thermische neutronen.