Warum wird Zirkonium in Kernreaktoren verwendet?

Warum wird Zirkonium in Kernreaktoren verwendet?

Zirkonium ist ein seltenes Metall mit erstaunlicher Korrosionsbeständigkeit, hohem Schmelzpunkt, hoher Härte und Festigkeit. Es wird häufig in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Militär, Kernreaktion und Atomenergie eingesetzt. Im Video unten gibt es ein Experiment, das erklärt, warum Zirkonium in Kernreaktoren verwendet wird .

Anfangs Zirkonium wurde nicht als geeigneter Werkstoff für den Einsatz in der Nuklearindustrie angesehen, da Studien gezeigt haben, dass die Wirkung von Zirkon auf die thermische Neutronenabsorption die Effizienz von Kernreaktoren beeinträchtigen kann. Später fanden Forscher des Oak Ridge Institute, dass 2,5 % des Hafniums in Zirkonium war für seinen großen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt verantwortlich.

Zirkonium und Hafnium sind mit Erzen verbunden und im Allgemeinen schwer zu trennen. Bis in die 1850er Jahre beschloss Admiral im Naval Nuclear Propulsion-Projekt, Zirkonium im wassergekühlten Reaktor des Nautilus Nuclear U-Bootes zu verwenden.

Obwohl zu diesem Zeitpunkt bereits Zirkonium für das Projekt verwendet wurde, gab es keine strengen Standards für die Verwendung von Zirkonium , und die Forscher wussten nur, dass die Verbesserung der Reinheit von Zirkonium wäre gut für die Eigenschaften der Legierung. Einige Verfahren werden verwendet, um Bandzirkonium zu reinigen, aber es enthält immer noch geringe Mengen an Stickstoff, was es bei hohen Temperaturen weniger korrosionsbeständig macht.

Schließlich erkannten die Forscher, dass die Reinheit nicht der Schlüssel zur Korrosionsbeständigkeit von Zirkonium war, da sie feststellten, dass einige Zirkoniummaterialien Verunreinigungen (wie Zinn, Eisen, Chrom und Nickel) enthalten. waren korrosionsbeständiger als hochreine Zirkoniumwerkstoffe. Daher ist die Entwicklung von Zirkoniumlegierungen wird auf die Tagesordnung gesetzt.

Zirkoniumlegierungen haben einen kleinen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt (0,185b) und sind überraschend korrosionsbeständig, sodass sie in Kernspaltungsreaktoren wie Kernmantelrohren, Gittern und Leitrohren in Siedewasserreaktoren sowie Druck Rohre und Abgasreaktorbehälter in Druckwasserreaktoren.

Mit der Bewerbung Zirkoniumlegierungen in der Kernenergieindustrie hat sich die Zirkoniumindustrie rasant entwickelt. Im nuklearen Riesenwechselreaktor ist Kernbrennstoff die ganze Zeit eine Spaltungsreaktion.

In der Reaktion bombardiert das Neutron den Kern von U235, der sich in Ba140 und Kr93 aufspaltet und gleichzeitig zwei oder drei Neutronen freisetzt; andere U235-Kerne werden von diesen Neutronen beschossen und erneut gespalten. Dies ist die Kettenreaktion der Spaltung.

Wasserstoffaufnahmemessungen in Zirkoniumlegierungen

Ein Material mit einem großen Neutroneneinfangquerschnitt absorbiert viele Neutronen, wenn sie auf die Wand treffen, wodurch die Effizienz der Kettenreaktion verringert wird. Währenddessen produziert die Kettenreaktion viel Wärme, die durch zirkulierendes Kühlwasser (oder andere Kühlmittel) abgeführt wird, um eine Überhitzung und Beschädigung des Reaktors zu vermeiden.

Wenn Metalle mit Wasser hoher Temperatur in Kontakt kommen, können sie korrodieren (oxidieren). Materialien mit schlechter Korrosionsbeständigkeit müssen häufig ausgetauscht werden, was die Kosten erhöht und leicht zu Sicherheitsunfällen führt.

Daher müssen Zirkoniumlegierungen als Kern-Mantel- und Konstruktionsmaterialien einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweisen, daher sollte die Entwicklung von Zirkoniumlegierungen auf . zurückgeführt werden der Nuklearindustrie.

Schlussfolgerung 

Vielen Dank für das Lesen unseres Artikels – Warum wird Zirkon in Kernreaktoren verwendet? und wir hoffen es hat euch gefallen. Wenn Sie mehr über das feuerfeste Metall erfahren möchten Zirkonium und seine Verwendung finden Sie unter Advanced Refractory Metals (ARM). Wir bieten unseren Kunden hochwertige Refraktärmetalle zu einem sehr wettbewerbsfähigen Preis.