Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 386

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

Nová metoda odsolování

Stovky milionů lidí již dnes žijí v oblastech s nedostatkem vody. OSN předpovídá, že do roku 2030 bude až polovina světové populace žít v oblastech s vysokým nedostatkem vody. Krize má nastat i ve vyspělých zemích. Např.

Centrum studentských aktivit České kosmické kanceláře zve

Pro studenty, mladé vědce a ostatní zájemce o kosmonautiku zde máme aktuální přednášky a programy pořádané Českou kosmickou kanceláří a vzdělávacím spolkem Kosmos-News. Nabízejí mateřským, základním i středním školám, ale i organizátorům dalších vzdělávacích ...

Úloha jaderné energie při obnově ekonomiky po pandemii

Agentura pro jadernou energii při OECD (OECD-NEA) vypracovala zprávu, která zkoumá úlohu jaderné energie v souvislosti s obnovou ekonomiky po COVID-19. Obsahuje čtyři hlavní témata: budování odolnosti elektrických sítí, tvorba pracovních příležitostí, ...

Solární nabíječky pro elektromobily

Nabíjení elektromobilů přinese v budoucnosti zvýšené nároky na kapacitu energetických sítí. K řešení problémů s tím spojených by mohly přispět solární nabíječky. Jejich rozvoj zatím táhnou především technologické firmy v USA.

Větrné turbíny vyplouvají na moře

Výkon větrných elektráren umístěných v mořích celého světa přesáhl ke konci loňského roku 650 GW, což odpovídá přibližně dvěma třetinám instalovaného elektrárenského výkonu Evropské unie. Naprostá většina elektřiny z větru pochází z turbín ukotvených ve dně mělkých pobřežních vod.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail