Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 484

Zirkonium – nezbytné pro jadernou energetiku

Zájem o zirkonium, kovový prvek s atomovým číslem 40, upoutaly na „západě“ i na „východě“ jeho dobré mechanické a chemické vlastnosti a zejména mimořádná odolnost čistého zirkonia proti korozi. Hlavní uplatnění dnes nalézá v jaderné energetice.

Fotogalerie (3)
Orientační složení nejvíce používaných zirkoniových slitin

USA
Ve Spojených státech amerických byla poprvé zirkoniová slitina (známá pod označením Zircaloy-2) použita jako materiál na pokrytí palivových článků u tlakovodního reaktoru ponorky Nautilus (první jaderné ponorky na světě, spuštěné roku 1954). Do té doby se pro ochranný plášť palivových proutků používala nerezová ocel. Zjistilo se však, že je v prostředí silných neutronových toků málo odolná vůči korozi. Zirkonium je naopak velmi odolné. Zprvu byla nanášena na vnitřní část trubiček, v nichž jsou uranové palivové tabletky, výstelka z čistého zirkonia k ochraně před korozním praskáním, ke kterému docházelo v důsledku tlaku rozpínajících se tabletek (při štěpné reakci vznikají štěpné produkty, které zvětšují objem).

Sovětský svaz
Situace v Sovětském svazu byla odlišná, neboť hned od samotného počátku byla slitina zirkonia s jedním váhovým procentem niobu (dnes označovaná E110) použita jako pokrytí paliva nejen v tlakovodních reaktorech ponorek ale i energetických reaktorů. Dodnes je tato slitina standardním materiálem pokrytí všech ruských vodou chlazených reaktorů. Jedním z poznávacích rozdílů mezi tlakovodními reaktory PWR a VVER je tedy i složení palivového pokrytí. Zatímco západní zirkoniové slitiny mají příměs cínu, východní používají niob.

Jaderná energetika
Zirkoniových slitin používaných v jaderné energetice jsou desítky (příklady viz tabulka). Firma General Electric dokonce zkonstruovala tzv. zirkoniové trojpokrytí se dvěma různými vnitřními vrstvami ze slitin a jedné z čistého zirkonia. Poměrně velké množství různých materiálů odpovídá různým provozním podmínkám tlakovodních a varných reaktorů. Každý materiál má nějaké výhody a nevýhody a optimální složení slitin pro konkrétní tlaky, teploty a neutronové toky v konkrétních typech reaktorů je výsledkem dlouhých a pečlivých zkoušek a ověřování. Pro zlepšení materiálových vlastností slitiny E110 se např. testuje namísto elektrolytické výroby ingotů výrobní procedura tzv. „zirkoniové houby“.

Systematickým výzkumem povlakových trubek ze zirkoniových slitin se u nás již od roku 1972 zabývá česká společnost UJP PRAHA a. s., sídlící v Praze na Zbraslavi. Její výsledky jsou vysoce uznávané i v zahraničí.


Zirkonium

Šedý až stříbřitě bílý, středně tvrdý a poměrně lehký kov, mimořádně chemicky stálý. Je zcela netečný k působení vody a odolává působení většiny běžných minerálních kyselin i hydroxidů. Hustota 6,506 g/cm3. Jemně rozptýlený kov může na vzduchu samovolně vzplanout, v kusové podobě (slitky, plechy, dráty) je však na vzduchu naprosto stálý.

V přírodě se vyskytuje pouze ve formě sloučenin. Nalézáme jej v řadě minerálů, které jsou pro své vlastnosti (tvrdost a vzhledová podobnost s diamantem) známy a používány již od dávnověku. Nejznámější je zirkon ZrSiO4 a oxid zirkoničitý ZrO2 . V zemské kůře je zirkonium poměrně hojně zastoupeno, jeho obsah se odhaduje na 165-220 mg/kg. Těží se v Austrálii, Brazílii, Indii, Rusku, a USA.

Značka Zr
Protonové číslo 40
Relativní atomová hmotnost 91,244
Hustota [kg/m3] 6 506
Počet stabilních izotopů 5
Počet nestabilních izotopů 16
Teplota tání [°C] 1852
Teplota varu [°C] 3800


Víte, že

  • V současné době je přibližně 90 % světové produkce čistého zirkonia používáno v jaderné energetice?
  • V běžném jaderném rektoru naleznete kolem 150 000 metrů trubek z těchto slitin?
  • Výskyt zirkonia byl pomocí spektrální analýzy potvrzen i ve hvězdách podobným našemu Slunci, v meteoritech a měsíčních horninách?
  • Oxid zirkoničitý se pro svou podobnost s diamantem (vysoký index lomu a tvrdost) používá jako „falešné“ brilianty?
  • Protože zirkonium se v živých organizmech chová zcela inertně, slouží jeho slitiny pro výrobu implantátů a kloubních náhrad?
  • Slitiny s niobem vykazují supravodivé vlastnosti při relativně vysokých teplotách (desítky stupňů kelvina) a slouží pro výrobu supravodivých magnetů?
  • Nitrid zirkonia ZrN2 patří k jedněm z nejtvrdších známých látek a převyšuje svou tvrdostí i korund? Používá se na brusné materiály a povrchovou úpravu vrtacích nástrojů.

Tomáš Vytiska
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

U výkonu krbu či kamen hraje hlavní roli tepelná ztráta domu

Vzrůstající ceny energií a obavy o dostupnost paliv pro zimní období nutí lidi přemýšlet o vytápění  již v létě.

Jak matematika pomůže šetřit energií

Až 4 000 megawatthodin bezemisní elektřiny bude možné příští rok ušetřit v Jaderné elektrárně Temelín. Dosáhne se toho optimalizací provozu čerpadel, která dopravují vodu do chladicích věží.

Jak se recyklují buňky našeho těla

Už jste to určitě slyšeli. Všechny buňky v lidském těle se vymění každých sedm let. Ale je to pravda? Ne tak docela. Některé buňky v některých orgánech a systémech v našem těle se zcela ...

Solné bazény na dně Rudého moře

Vzácné hlubinné solné bazény objevené v Rudém moři mohou obsahovat stopy vedoucí k rozuzlení historie regionu, či vrhnout světlo na původ života na Zemi, zjistila nová studie.

Jaké jsou největší impaktní krátery na Zemi?

Během své existence (asi 4,5 miliardy let) byla Země zasahována stovkami velkých asteroidů, které rozbíjely její povrch. Nejméně 190 z těchto kolizí (o kterých doposud víme) zanechalo ...

Nejnovější video

Jak funguje PCR test na coronavirus

Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.

close
detail