Die Verwendung von Zirkonium in Kernreaktoren

Zirkonium ist ein silbergraues Übergangsmetall. Es ist sehr formbar und hat hohe duktile Eigenschaften und bildet stabile Verbindungen. Zirkoniumlegierungen wurden in verschiedenen Sektoren und auf unterschiedliche Weise angewendet und verwendet. Eine seiner attraktivsten Eigenschaften ist seine Korrosionsbeständigkeit.

Es wird in einer Umgebung mit hoher Korrosionsneigung verwendet; Zirkoniummaterialien werden in Rohren, Wärmetauschern, Fittings usw. verwendet. Zirkonium wird auch in Stahllegierungen, farbigen Glasuren, Ziegeln, Keramik, Schleifmitteln, Lampenglühfäden, künstlichen Edelsteinen usw. verwendet. Zirkonium findet auch Anwendung bei der Herstellung von Katalysatoren, Ofensteine, Labortiegel, chirurgische Instrumente, Fernsehglas usw.

In diesem Artikel werden wir die Anwendung von Zirkonium in Kernreaktoren diskutieren.
Zirkoniumlegierungen haben ausgezeichnete Eigenschaften und werden als Brennstoffhüllrohre und in anderen Konstruktionsmaterialien verwendet, die zum Bau von Kernreaktoren verwendet werden.

Verarbeitung von Zirkonium

Zirkonium kommt normalerweise mit anderen Elementen vor, insbesondere mit seinem Gegenstück in der unteren Reihe in Mendelejews Tabelle:Hafnium. Die meisten Zirkonerze enthalten 1,5 – 2,5% Hafnium.

Hafnium hat einen hohen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt, daher muss es aus dem Zirkoniumerz entfernt werden, bevor es für nukleare Anwendungen verwendet wird.
Die Verarbeitung von Industriebauteilen aus Zirkoniumlegierungen ist aufgrund ihrer Reaktivität mit Sauerstoff ziemlich komplex.

Zirkoniumlegierung

Die Zusammensetzung der nuklearen Zirkoniumlegierung besteht zu 95 % aus Zirkonium und zu weniger als 2 % aus Zinn, Eisen, Chrom, Nickel und anderen Metallen. Diese Metalle werden hinzugefügt, um die Korrosionsbeständigkeit der Legierung und ihre mechanische Festigkeit zu verbessern.

Verwendung von Zirkoniumlegierungen als Verkleidungsmaterial

Zirkonium wird als Mantelmaterial in Kernreaktoren verwendet. Es deckt die zylindrischen Brennstäbe ab, die zum Antrieb von Kernreaktoren verwendet werden. Normalerweise ist die Zirkonium-Ummantelung mit Uranoxid-Pellets oder einem anderen spaltbaren Material gefüllt.
Die Brennhülle bezieht sich auf den äußeren Teil von Brennstäben. Es befindet sich normalerweise zwischen dem Reaktorkühlmittel und dem Kernbrennstoff. Zirkonium ist ein Metall der ersten Wahl für die meisten Kernreaktoren, da es leicht einige der Elektronen absorbieren kann, die während einer Spaltungsreaktion entweichen. Es wird auch wegen seiner hohen Beständigkeit gegen Chemikalien und Hitzekorrosion verwendet. Zirkonium hat einen sehr geringen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen.

Zirkoniumlegierung wird aufgrund ihrer Eigenschaften für Plattierungen verwendet. Es verhindert, dass radioaktive Spaltprodukte die Brennstoffmatrix verlassen und in das Reaktorkühlmittel gelangen und dieses verunreinigen. Aufgrund seiner Kühlfähigkeit wird Zirkonium als gutes Metall für Plattierungen verwendet.

Kernreaktoren müssen aus Materialien mit geringer Neutronenabsorption gebaut werden. Dies liegt daran, dass eine große Anzahl von Neutronen, die durch die Reaktion erzeugt werden, frei sein müssen, um gleichzeitig mit dem gesamten Kernbrennstoff, der in Hunderten von Brennstäben eingeschlossen ist, leicht wechselwirken zu können. Dadurch wird sichergestellt, dass die notwendige Kettenreaktion im Inneren des Reaktorkerns aufrechterhalten wird.

Zirkoniumplattierung, eine Legierung von Zirkonium mit anderen Metallen wie Zinn, Eisen, Nickel und Chrom, wird in den Brennstäben von Kernkraftwerken und auch verwendet in Militärreaktoren.

Verwendung von Zirkoniumlegierungen in wassergekühlten Reaktoren

Die höchste Temperatur, bei der Zirkoniumlegierungen in wassergekühlten Reaktoren wirksam bleiben, wird durch ihre Korrosionsbeständigkeit bestimmt. Zirkoniumlegierungen wie Zirkaloy, das Zinn als Hauptlegierungselement enthält, weisen aufgrund des Vorhandenseins von Zinn hohe mechanische Eigenschaften auf. Zirkaloy wird hauptsächlich in Kernreaktoren in verschiedenen Teilen der Welt verwendet.

Oxidation von Zirkoniumlegierungen

Die Nuklearindustrie hat den Prozess der Oxidation von Zirkoniumlegierungen und die Reaktion von Zirkonium mit Brennstoff und Dampf bei Nuklearunfällen untersucht. Es wurden verschiedene Berichte über die Oxidation von Zirkoniumlegierungen bei Temperaturen im Bereich von 800 K und darunter erstellt.
Wasser in Kombination mit Zirkonium bei einer Temperatur von 300 °C oxidiert das Metall, um ein festes Oxid auf der Metalloberfläche zu bilden. Die Oxidationsrate hängt vom Sauerstoffdruck oder Wasserdampf ab.

Bedeutung der Verwendung von Zirkonium als Verkleidung

Eine der Hauptanwendungen von Zirkonium ist die Umhüllung in Kernreaktoren. Zirkonium als Hüllmaterial verhindert das Austreten radioaktiver Spaltprodukte aus der Brennstoffmatrix in das Reaktorkühlmittel und damit eine Kontamination.
Das Fehlen einer Umhüllung kann dazu führen, dass Brennstäbe undicht werden. Dies würde dazu führen:
● Einbringung stabiler und radioaktiver Spaltprodukte wie Xenon, Jod oder Krypton in den Primärkreislauf.
● Kann dazu führen, dass sich langlebige Isotope wie Cäsium, Strontium, Technetium im Primärkreislauf ablagern.
● Erhöht die Gesamteinstrahlung der Schaltung.

Im Allgemeinen würden Zirkoniumlegierungen auf dem Nuklearmarkt relevant bleiben, da sie dazu beitragen, die Brennstoffleistung zu verbessern, indem sie einen höheren Brennstoffabbrand und geringere Ausfallraten ermöglichen. Zirkoniumlegierungen würden weiterhin die erste Wahl für die Ummantelung von Brennstäben in Wasser- und Kernreaktoren bleiben. Dies liegt an seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und seinem geringen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen.