Warum Zirkonium für Sicherheit und Effizienz von Kernreaktoren unverzichtbar ist

Warum Zirkonium für Sicherheit und Effizienz von Kernreaktoren unverzichtbar ist

Zirkonium ist ein seltenes Metall, das für seine Korrosionsbeständigkeit, hohen Schmelzpunkt, Härte und Festigkeit geschätzt wird. Seine einzigartigen Eigenschaften machen es in Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und besonders in der Kernenergie unverzichtbar.

Während frühe Studien nahelegten, dass Zirkonium zu viele thermische Neutronen absorbieren und damit die Reaktoreffizienz mindern könnte, zeigte die Forschung des Oak Ridge Institute, dass nur die 2,5 % Hafnium-Verunreinigung für den hohen Neutroneneinfangquerschnitt verantwortlich ist.

Zirkonium und Hafnium kommen im Erz gemeinsam vor und sind schwer zu trennen. In den 1950er Jahren übernahm das Marine-Nuklearantriebsprogramm Zirkonium für den wassergekühlten Reaktor des U-Boots Nautilus, trotz begrenzter Reinheitsstandards.

Anfängliche Bemühungen konzentrierten sich auf die Erhöhung der Zirkoniumreinheit, aber selbst ultrareines Material enthielt noch Spuren von Stickstoff, die die Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigten. Experimente zeigten später, dass kontrollierte Zusätze von Zinn, Eisen, Chrom und Nickel die Korrosionsbeständigkeit tatsächlich verbesserten, was zu den ersten Zirkoniumlegierungen führte.

Zirkoniumlegierungen weisen einen bemerkenswert niedrigen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt von 0,185 b und hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, was sie ideal für Kernumhüllungen, Gitter, Führungsröhren in Siedewasserreaktoren und Druckbehälter in Druckwasserreaktoren macht.

In einem Spaltungsreaktor treffen Neutronen auf Uran-235-Kerne, die sich in Barium-140, Krypton-93 und weitere Neutronen spalten – was eine sich selbst tragende Kettenreaktion antreibt. Ein Material, das viele Neutronen einfängt, würde der Kettenreaktion Energie entziehen, während unzureichende Korrosionsbeständigkeit zu kostspieligen Reparaturen und Sicherheitsrisiken führen würde.

Wasserstoffaufnahme-Messungen in Zirkoniumlegierungen

Materialien mit hohem Neutroneneinfangquerschnitt absorbieren Neutronen aus dem Reaktorkern und verringern die Reaktionsrate. Gleichzeitig wird die intensive Hitze durch zirkulierendes Kühlmittel abgeführt, um Überhitzung zu verhindern. Korrodiert die Umhüllung, muss sie ersetzt werden, was Betriebskosten erhöht und die Sicherheit gefährdet.

Fazit

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