Ha lehetősége van belépni egy nyomás alatti vizes reaktoros atomerőműbe, a vastag védőárnyékoló rétegen keresztül egy masszív acél nyomástartó edényt fog látni -a reaktor szíve, az úgynevezett mag. A mag belsejében több tízezer, egyenként három-négy méter hosszú, karcsú fémcső helyezkedik el fegyelmezett alakzatban, és csendben állnak a magas-hőmérsékletű, nagynyomású-vízben. Ezek a csövek a nukleáris üzemanyag külső burkolataként szolgálnak: a cirkóniumötvözetből készült burkolócsövek.
Nem bocsátanak ki fényt és nem termelnek hőt, mégis rájuk hárul az egész nukleáris reakció legkritikusabb biztonsági felelőssége. Ha a nukleáris üzemanyagot egy reaktor „szívéhez” hasonlítjuk, akkor a cirkóniumötvözet burkolat a szívet körülvevő „pericardiumként” -egy vékony, de robusztus, romolhatatlan láthatatlan páncélként szolgál.
Miért éppen cirkónium?
A reaktorok burkolóanyagaira vonatkozó követelmények gyakorlatilag szigorúak. Egyszerre három látszólag egymásnak ellentmondó előírást kell teljesíteniük:
1. A neutronokkal szembeni „közömbösség” – a termikus neutronok abszorpciós keresztmetszete- rendkívül alacsony kell legyen, hogy elkerüljük a láncreakció fenntartásához nélkülözhetetlen értékes neutronok elfogyasztását.
2. A magas hőmérsékletű vízzel szembeni ellenálló képesség – Ha huzamosabb ideig 300–400 fokos maró hatású vízbe merítik és nagy nyomáson, a felület minimális rozsdásodást vagy hámlást mutat.
3. Besugárzási „tűrés”: Fenntartja mechanikai tulajdonságait intenzív neutronbombázás esetén anélkül, hogy ridegedést vagy duzzanatot okozna.
A periódusos rendszerben csak egy maroknyi fém felel meg mindhárom kritériumnak. A magnézium túlságosan reakcióképes, az alumíniumnak nincs magas-hőmérséklet-stabilitása, és az acél túlzott neutronelnyelést mutat... Csak a cirkónium emelkedik ki ezek közül a jelöltek közül, ultra-alacsony termikus neutronabszorpciós keresztmetszetével, 0,18 baryel és 4,5 nickels2 vas alatt. baryel), valamint a kivételes eredendő korrózióállóság és sugárzásállóság. A cirkóniumötvözetek kifejlesztése sarkalatos fordulópontot jelent a túlnyomásos vizes reaktorok nagyszabású- kereskedelmi forgalomba hozatalában; nélkülük ma valószínűleg jelentősen csökkenne az atomenergia részesedése az energiaszerkezetben.
Az átalakulás cirkóniumból "páncéllá"
A tiszta cirkónium azonban túl lágy, és nincs elég szilárdsága ahhoz, hogy közvetlenül ellenálljon az intenzív hőtágulásnak/összehúzódásnak és a vízáramlás hatásainak a reaktormagban. Ennek megoldására a kohászok két megoldást fejlesztettek ki:
Először is az ötvözés. Kis mennyiségű elemek, például ón, vas, króm és nikkel cirkóniumhoz való hozzáadása klasszikus rendszereket képez, amelyeket a Zr-2 és Zr-4 ötvözetek képviselnek. Ezek az adalékok betonacélként beépülnek a cirkónium kristályrácsba, jelentősen növelve annak szilárdságát, kúszásállóságát és hidroxid korrózióval szembeni ellenállását. Ezt követően Franciaország, az Egyesült Államok és Oroszország fejlettebb típusokat fejlesztett ki, mint például az M5, ZIRLO és E110, amelyek még kiváló teljesítményt mutatnak.
Másodszor a szennyeződések eltávolítása. A természetben a cirkónium és a hafnium mindig ikerelemként létezik. Azonban a hafnium termikus neutronabszorpciós keresztmetszete-600-szor akkora, mint a cirkóniumé-, így valódi neutron „fekete lyuk”. Következésképpen a nukleáris minőségű -cirkónium hafniumtartalmát szigorúan 0,01% alatt kell szabályozni, ami rendkívül összetett oldószeres extrakciós elválasztási eljárást igényel, amelynek költsége jóval meghaladja az ipari -minőségű cirkóniumét. Emiatt a nukleáris minőségű cirkónium előállítása kulcsfontosságú mutatója egy nemzet nukleáris iparága önellátásának.
Az első biztonsági korlát
A reaktor működése során a burkolócsövek szerepe messze túlmutat az üzemanyag „beburkolásán”. Integritásuk közvetlenül meghatározza a nukleáris biztonság határait.
A hasadási termék szivárgásának megelőzése: A maghasadás során keletkező radioaktív anyagok, mint a cézium és a jód, közvetlenül a hűtőközegbe szivároghatnak, ha a tárolóedény megsérül. Valamennyi nukleáris energia szabvány előírja, hogy a konténmenttartály meghibásodási aránya 1 ezrelék alatt maradjon a teljes élettartama alatt.
Hőátadás: A tüzelőanyag-pelletek által termelt jelentős hőt a burkolatfalon keresztül gyorsan át kell adni a külső vízáramnak, ahol gőzzé alakul át a turbina meghajtására. A cirkóniumötvözet kiváló hővezető képessége nagy hatékonyságot biztosít ebben a hőátadási folyamatban.
Üzemeltetés baleseti határokon: Extrém körülmények között, például vízveszteség esetén a maghőmérséklet 1200 fok fölé emelkedhet. Ezen a ponton a cirkóniumötvözetek intenzív oxidációs reakciókon mennek keresztül a vízgőzzel, és hidrogéngáz keletkezik,-ez volt a fukusimai atombaleset során bekövetkezett hidrogénrobbanás közvetlen oka. Következésképpen a következő -generációs cirkóniumötvözetek fejlesztése folyik, hogy lelassítsák az oxidáció sebességét magas hőmérsékleten, és ezáltal kritikus időablakot hoznak létre a vészhűtéshez.
