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.

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.