Waarom wordt zirkonium gebruikt in kernreactoren?

Zirkonium is een zeldzaam metaal met een verbazingwekkende corrosieweerstand, hoog smeltpunt, hoge hardheid en sterkte. Het wordt veel gebruikt in de ruimtevaart, het leger, de nucleaire reactie en atoomenergie. In de onderstaande video is er een experiment dat verklaart waarom zirkonium wordt gebruikt in kernreactoren .

Aanvankelijk, zirkonium werd niet beschouwd als een geschikt materiaal voor gebruik in de nucleaire industrie, omdat studies hebben aangetoond dat het effect van zirkonium op de thermische neutronenabsorptie de efficiëntie van kernreactoren kan beïnvloeden. Later ontdekten onderzoekers van het Oak Ridge Institute dat 2,5% van het hafnium in zirkonium was verantwoordelijk voor zijn grote thermische neutronenvangstdwarsdoorsnede.

Zirkonium en hafnium worden geassocieerd met erts en zijn over het algemeen moeilijk te scheiden. Tot de jaren 1850 besloot admiraal in het Naval Nuclear Propulsion-project zirkonium te gebruiken in de watergekoelde reactor van de Nautilus Nuclear Submarine.

Hoewel tegen die tijd al zirkonium voor het project was gebruikt, waren er geen strikte normen voor het gebruik vanzirkonium , en de onderzoekers wisten alleen dat het verbeteren van de zuiverheid van zirkonium goed zou zijn voor de eigenschappen van de legering. Sommige processen worden gebruikt om stripzirkonium te zuiveren, maar het bevat nog steeds kleine hoeveelheden stikstof, waardoor het minder bestand is tegen corrosie bij hoge temperaturen.

Ten slotte realiseerden de onderzoekers zich dat zuiverheid niet de sleutel was tot de corrosieweerstand van zirkonium, omdat ze ontdekten dat sommige zirkoniummaterialen onzuiverheden bevatten (zoals tin, ijzer, chroom en nikkel) waren beter bestand tegen corrosie dan zirkoniummaterialen met een hogere zuiverheid. Daarom is de ontwikkeling van zirkoniumlegeringen wordt op de agenda gezet.

Zirkoniumlegeringen hebben een kleine thermische neutronenvangstdwarsdoorsnede (0.185b) en zijn verrassend goed bestand tegen corrosie, dus worden ze veel gebruikt in splijtingsreactoren, zoals kernbeklede buizen, roosters en geleidingsbuizen in kokendwaterreactoren, evenals druk pijpen en uitlaatreactorvaten in drukwaterreactoren.

Met de toepassing van zirkoniumlegeringen in de kernenergie-industrie heeft de zirkoniumindustrie zich snel ontwikkeld. In de nucleaire reactor voor reuzenverandering is kernbrandstof de hele tijd een splijtingsreactie.

Tijdens de reactie bombardeert het neutron de kern van U235, die zich splitst in Ba140 en Kr93, en daarbij twee of drie neutronen tegelijk vrijgeeft; andere U235-kernen worden gebombardeerd door deze neutronen en hersplijting. Dit is de kettingreactie van splijting.

Waterstofopnamemetingen in zirkoniumlegeringen

Een materiaal met een grote doorsnede voor het opvangen van neutronen zal veel neutronen absorberen wanneer ze de muur raken, waardoor de efficiëntie van de kettingreactie wordt verminderd. Ondertussen produceert de kettingreactie veel warmte, die wordt afgevoerd door koelwater (of andere koelvloeistoffen) te laten circuleren om oververhitting en schade aan de reactor te voorkomen.

Als metalen in contact komen met water van hoge temperatuur, kunnen ze worden gecorrodeerd (geoxideerd). Materialen met een slechte corrosieweerstand moeten vaak worden vervangen, wat de kosten verhoogt en gemakkelijk tot veiligheidsongevallen leidt.

Daarom moeten zirkoniumlegeringen als kernbekleding en constructiematerialen een lage neutronenvangstdwarsdoorsnede en een uitstekende corrosieweerstand hebben, dus de ontwikkeling van zirkoniumlegeringen moet worden toegeschreven aan de nucleaire industrie.

Conclusie 

Bedankt voor het lezen van ons artikel - Waarom wordt zirkonium gebruikt in kernreactoren? en we hopen dat je ervan genoten hebt. Als je meer wilt weten over het vuurvaste metaal zirkonium en het gebruik ervan, kunt u naar Advanced Refractory Metals (ARM) gaan. We bieden onze klanten hoogwaardige vuurvaste metalen tegen een zeer concurrerende prijs.