Ако имате възможност да влезете в атомна електроцентрала с воден реактор под налягане, през дебелия защитен екраниращ слой ще видите масивен стоманен съд под налягане-сърцето на реактора, известно като сърцевината. Вътре в ядрото десетки хиляди тънки метални тръби, всяка с дължина от три до четири метра, са подредени в дисциплинирана формация, стоящи тихо във вода с висока-температура и високо{3}}налягане. Тези тръби служат като външна обвивка за ядреното гориво: облицовъчните тръби от циркониева сплав.
Те не излъчват светлина и не генерират топлина, но носят най-важната отговорност за безопасността на цялата ядрена реакция. Ако ядреното гориво се оприличи на „сърцето“ на реактор, обвивката от циркониева сплав служи като „перикард“, заобикалящ това сърце -тънка, но здрава, нетленна невидима броня.
Защо точно цирконий?
Изискванията към материалите за облицовката на реактора са почти строги. Те трябва едновременно да отговарят на три привидно противоречиви спецификации:
1. „Безразличието“ към неутроните – сечението на поглъщане-за топлинни неутрони трябва да е изключително ниско, за да се избегне изразходването на ценните неутрони, които са от съществено значение за поддържането на верижната реакция.
2. Устойчивост на вода с висока -температура – Когато се потопи за продължителни периоди в корозивна вода при 300–400 градуса и под високо налягане, повърхността показва минимално ръждясване или лющене.
3. "Толерантност" към облъчване: Поддържа механичните свойства при интензивно неутронно бомбардиране, без да се подлага на крехкост или набъбване.
В цялата периодична таблица само шепа метали отговарят и на трите критерия. Магнезият е твърде реактивен, на алуминия му липсва висока -температурна стабилност, а стоманата проявява прекомерна абсорбция на неутрони... Само цирконият се откроява сред тези кандидати, като се гордее със свръх-ниско напречно-сечение на абсорбция на топлинни неутрони от 0,18 барила (далеч под 2,56 барила на желязото и 4,5 на никела бариели), заедно с изключителна присъща устойчивост на корозия и устойчивост на радиация. Разработването на циркониеви сплави представлява ключова повратна точка за широкомащабната-комерсиализация на реактори с вода под налягане; без тях делът на ядрената енергия в енергийния микс вероятно би бил значително намален днес.
Трансформацията от цирконий в "броня"
Чистият цирконий обаче е твърде мек и му липсва достатъчна якост, за да издържи директно на интензивното термично разширение/свиване и въздействието на водния поток в ядрото на реактора. За да се справят с това, металурзите са разработили две решения:
Първо, легиране. Добавянето на малки количества елементи като калай, желязо, хром и никел към циркония образува класически системи, представени от сплави Zr-2 и Zr-4. Тези добавки се интеркалират в циркониевата кристална решетка като армировъчни пръти, като значително повишават нейната здравина, устойчивост на пълзене и устойчивост на хидроксидна корозия. Впоследствие Франция, Съединените щати и Русия разработиха по-усъвършенствани класове като M5, ZIRLO и E110, които показват още по-добри характеристики.
Второ, премахване на примесите. В природата цирконий и хафний винаги съществуват заедно като елементи близнаци. Напречното сечение на поглъщане на термични неутрони на хафния обаче-е 600 пъти по-голямо от това на циркония-, което го прави истинска неутронна „черна дупка“. Следователно съдържанието на хафний за ядрен-клас трябва да бъде стриктно контролирано под 0,01%, което изисква изключително сложен процес на разделяне чрез екстракция с разтворител, чиято цена далеч надвишава тази на циркония-промишлен клас. Поради тази причина производството на цирконий с ядрен-клас служи като ключов показател за разчитането-на собствените сили на ядрената индустрия на нацията.
Първата защитна бариера
По време на работа на реактора ролята на облицовъчните тръби се простира далеч отвъд простото "обвиване на горивото". Тяхната цялост пряко определя границите на ядрената безопасност.
Предотвратяване на изтичане на продукти на делене: Радиоактивни вещества като цезий и йод, генерирани по време на ядрено делене, могат директно да изтекат в охлаждащата течност, ако защитният съд е пробит. Всички установени стандарти за ядрена енергия изискват коефициентът на повреда на контейнера да остане под 1 на хиляда през целия му експлоатационен живот.
Пренос на топлина: Съществената топлина, генерирана от горивните пелети, трябва бързо да бъде прехвърлена през стената на облицовката към външния воден поток, където се превръща в пара за задвижване на турбината. Отличната топлопроводимост на циркониевата сплав осигурява висока ефективност при този процес на пренос на топлина.
Работа при граници на аварии: При екстремни условия, като аварии със загуба на вода, температурата в сърцевината може да надхвърли 1200 градуса. В този момент циркониевите сплави претърпяват интензивни окислителни реакции с водна пара, произвеждайки водороден газ-това беше точно пряката причина за водородната експлозия по време на ядрената авария във Фукушима. Вследствие на това се разработват циркониеви сплави от следващо-поколение за забавяне на скоростта на окисление при високи температури, като по този начин се създава критичен времеви прозорец за аварийно охлаждане.
