Ако имате прилику да уђете у нуклеарну електрану реактора са водом под притиском, кроз дебели заштитни слој, видећете масивну челичну посуду под притиском-срце реактора, познато као језгро. Унутар језгра, десетине хиљада витких металних цеви, од којих се свака протеже три до четири метра, распоређене су у дисциплиновану формацију, мирно стоје унутар воде високе-температуре и високог{3}}притиска. Ове цеви служе као спољашње кућиште за нуклеарно гориво: цеви за облагање од легуре цирконијума.
Они не емитују светлост нити генеришу топлоту, али сносе најкритичнију безбедносну одговорност за целу нуклеарну реакцију. Ако се нуклеарно гориво упореди са „срцем“ реактора, омотач од легуре цирконијума служи као „перикард“ који окружује ово срце-танак, али робустан, непролазни невидљиви оклоп.
Зашто конкретно цирконијум?
Захтеви за материјале за облагање реактора су практично строги. Они морају истовремено испунити три наизглед контрадикторне спецификације:
1. „Индиферентност“ према неутронима – попречни пресек{1}}апсорпције термалних неутрона мора бити изузетно низак да би се избегло трошење драгоцених неутрона неопходних за одржавање ланчане реакције.
2. Отпорност на воду високе{1}}температуре – Када је уроњена на дужи период у корозивну воду на 300–400 степени и под високим притиском, површина показује минимално рђање или љуштење.
3. "Толеранција" на зрачење: Одржава механичка својства под интензивним неутронским бомбардовањем без подвргавања кртости или бубрењу.
У целом периодном систему, само неколико метала задовољава сва три критеријума. Магнезијум је превише реактиван, алуминијуму недостаје висока-температурна стабилност, а челик показује прекомерну апсорпцију неутрона... Само се цирконијум истиче међу овим кандидатима, који има ултра-ниску апсорпцију топлотних неутрона попречни- пресек од 0,18 баријела (далеко испод 5,46 бара гвожђа) баријела), заједно са изузетном инхерентном отпорношћу на корозију и отпорност на зрачење. Развој легура цирконијума представља кључну прекретницу за -велику комерцијализацију реактора са водом под притиском; без њих, удео нуклеарне енергије у енергетском миксу би данас вероватно био значајно смањен.
Трансформација од цирконијума у "оклоп"
Међутим, чисти цирконијум је превише мекан и недостаје му довољна чврстоћа да директно издржи интензивну топлотну експанзију/контракцију и ударе протока воде унутар језгра реактора. Да би то решили, металурзи су развили два решења:
Прво, легирање. Додавањем малих количина елемената као што су калај, гвожђе, хром и никл цирконијуму формирају се класични системи представљени легурама Зр-2 и Зр-4. Ови адитиви се интеркалирају у кристалну решетку цирконијума попут арматурних шипки, значајно повећавајући његову снагу, отпорност на пузање и отпорност на хидроксидну корозију. Након тога, Француска, Сједињене Државе и Русија развиле су напредније оцене као што су М5, ЗИРЛО и Е110, које показују чак и супериорне перформансе.
Друго, уклањање нечистоћа. У природи цирконијум и хафнијум увек коегзистирају као близанци. Међутим, пресек апсорпције топлотних неутрона-хафнијума је 600 пута већи од цирконијума-што га чини правом неутронском „црном рупом“. Сходно томе, нуклеарни-цирконијум мора имати строго контролисан садржај хафнијума испод 0,01%, што захтева изузетно сложен процес одвајања екстракције растварачем чија је цена далеко већа од цене индустријског-цирконијума. Из тог разлога, производња нуклеарног{10}цирконијума служи као кључни показатељ самопоуздања нуклеарне индустрије{11}}
Прва безбедносна баријера
Током рада реактора, улога цеви за облагање протеже се далеко даље од пуког „облагања горива“. Њихов интегритет директно одређује границе нуклеарне безбедности.
Спречавање цурења производа фисије: Радиоактивне супстанце као што су цезијум и јод који настају током нуклеарне фисије могу директно да исцуре у расхладну течност ако се пробије посуда за задржавање. Сви утврђени стандарди за нуклеарну енергију захтевају да стопа отказа контејнера остане испод 1 промила током целог радног века.
Пренос топлоте: Значајна топлота коју стварају пелети за гориво мора се брзо пренети кроз зид омотача до спољашњег тока воде, где се претвара у пару за погон турбине. Одлична топлотна проводљивост легуре цирконијума обезбеђује високу ефикасност у овом процесу преноса топлоте.
Рад на границама незгода: У екстремним условима као што су несреће са губитком воде, температура језгра може да порасте изнад 1200 степени. У овом тренутку, легуре цирконијума пролазе кроз интензивне реакције оксидације са воденом паром, производећи гас водоник-што је управо био директан узрок експлозије водоника током нуклеарне несреће у Фукушими. Због тога се развијају легуре цирконијума следеће-генерације које успоравају брзину оксидације на високим температурама, чиме се ствара критични временски оквир за хитно хлађење.
