Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 435

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

Vývoj ruského tolerantního paliva

Ruská korporace pro atomovou energii Rosatom dokončila druhou etapu vývoje ruského tolerantního paliva, díky kterému jaderné elektrárny dosáhnou nové úrovně bezpečnosti.

Centrální solenoid: schopen bez vady

Poté, co prošel řadou přísných testů, získal první ze sedmi modulů supravodivých magnetů, které budou tvořit „pulsující srdce“ mezinárodního fúzního ...

Jak se svět připravuje na příval vysloužilých Li-Ion baterií

Lithium-iontové akumulátory patří k nejvyužívanějším typům baterií na světě. S očekávaným boomem elektromobility však jejich produkce výrazně poroste, čímž bude ...

Akumulační teplárna Skupiny ÚJV

Světová spotřeba energie a tepla roste a díky plánům na snižování emisí CO2 se do výroby zapojuje stále více obnovitelných zdrojů energie (OZE).

Přehřívání měst řeší zeleň

Vydlážděná či vybetonovaná prostranství a minimum zeleně. To je problém, který trápí řadu měst. Taková místa totiž akumulují obrovské množství tepla, jež následně vyzařují.

Nejnovější video

Jak funguje PCR test na coronavirus

Krásně a jednoduše vysvětleno se srozumitelnými animacemi. V angličtině.

close
detail