Ak máte možnosť vstúpiť do jadrovej elektrárne s tlakovodným reaktorom, cez hrubú ochrannú tieniacu vrstvu uvidíte mohutnú oceľovú tlakovú nádobu-srdca reaktora, známeho ako jadro. Vo vnútri jadra sú desaťtisíce štíhlych kovových rúrok, z ktorých každá sa tiahne tri až štyri metre, sú usporiadané do disciplinovanej formácie a pokojne stoja vo vode s vysokou-teplotou a vysokým-tlakom. Tieto rúrky slúžia ako vonkajší obal pre jadrové palivo: rúrky plášťa zo zliatiny zirkónia.
Nevyžarujú svetlo ani nevytvárajú teplo, no nesú najdôležitejšiu bezpečnostnú zodpovednosť celej jadrovej reakcie. Ak je jadrové palivo prirovnané k „srdcu“ reaktora, plášť zo zirkónovej zliatiny slúži ako „perikard“ obklopujúci toto srdce-tenký, ale robustný, nezničiteľný neviditeľný pancier.
Prečo konkrétne zirkónium?
Požiadavky na materiály plášťa reaktora sú prakticky prísne. Musia súčasne spĺňať tri zdanlivo protichodné špecifikácie:
1. „Ľahostajnosť“ k neutrónom – absorpčný prierez- tepelných neutrónov musí byť extrémne nízky, aby sa predišlo spotrebe vzácnych neutrónov nevyhnutných na udržanie reťazovej reakcie.
2. Odolnosť voči vode s vysokou-teplotou – Pri ponorení na dlhšiu dobu do korozívnej vody s teplotou 300 – 400 stupňov a pod vysokým tlakom povrch vykazuje minimálne hrdzavenie alebo odlupovanie.
3. "Tolerancia" ožiarenia: Zachováva mechanické vlastnosti pri intenzívnom bombardovaní neutrónmi bez toho, aby došlo k skrehnutiu alebo napučiavaniu.
V celej periodickej tabuľke iba hŕstka kovov spĺňa všetky tri kritériá. Horčík je príliš reaktívny, hliník postráda vysokú-teplotnú stabilitu a oceľ vykazuje nadmernú absorpciu neutrónov... Medzi týmito kandidátmi vyniká iba zirkónium, ktoré sa môže pochváliť ultra-nízkou absorpciou tepelných neutrónov-rezom 0,18 baryelov (ďaleko pod železom 2,56 baryelov a výnimočnou odolnosťou voči korózii a niklu žiarením 4,5 barylu). Vývoj zliatin zirkónia predstavuje kľúčový bod obratu pre rozsiahlu-komercializáciu tlakovodných reaktorov; bez nich by sa podiel jadrovej energie na energetickom mixe dnes pravdepodobne výrazne znížil.
Transformácia zo zirkónu na "brnenie"
Čisté zirkónium je však príliš mäkké a nemá dostatočnú pevnosť, aby priamo odolalo intenzívnej tepelnej expanzii/kontrakcii a nárazom prúdenia vody v jadre reaktora. Na riešenie tohto problému vyvinuli metalurgovia dve riešenia:
Po prvé, legovanie. Pridanie malého množstva prvkov ako cín, železo, chróm a nikel k zirkónu vytvára klasické systémy reprezentované zliatinami Zr-2 a Zr-4. Tieto prísady sa vkladajú do kryštálovej mriežky zirkónia ako výstužné tyče, čím výrazne zvyšujú jej pevnosť, odolnosť proti tečeniu a odolnosť voči korózii hydroxidom. Následne Francúzsko, Spojené štáty americké a Rusko vyvinuli pokročilejšie triedy ako M5, ZIRLO a E110, ktoré vykazujú ešte lepší výkon.
Po druhé, odstránenie nečistôt. V prírode zirkónium a hafnium vždy koexistujú ako dvojité prvky. Avšak prierez absorpcie tepelných neutrónov hafnia-je 600-krát väčší ako prierez zirkónu-, čo z neho robí skutočnú neutrónovú „čiernu dieru“. V dôsledku toho musí obsah hafnia v jadrovej -triede zirkónu prísne kontrolovať pod 0,01 %, čo si vyžaduje mimoriadne zložitý separačný proces extrakcie rozpúšťadlom, ktorého cena ďaleko prevyšuje náklady na priemyselné zirkónium-. Z tohto dôvodu výroba jadrového{10} zirkónu slúži ako kľúčový ukazovateľ sebestačnosti národného-jadrového priemyslu.
Prvá bezpečnostná bariéra
Počas prevádzky reaktora úloha plášťových rúrok ďaleko presahuje len „obalenie paliva“. Ich integrita priamo určuje hranice jadrovej bezpečnosti.
Prevencia úniku štiepnych produktov: Rádioaktívne látky, ako je cézium a jód, ktoré vznikajú pri štiepení jadra, môžu v prípade porušenia ochrannej nádoby unikať priamo do chladiacej kvapaliny. Všetky zavedené štandardy jadrovej energie vyžadujú, aby miera zlyhania kontajnmentovej nádoby zostala nižšia ako 1 promile počas celej jej životnosti.
Prenos tepla: Podstatné teplo generované palivovými peletami sa musí rýchlo preniesť cez obkladovú stenu do vonkajšieho prúdu vody, kde sa premení na paru na pohon turbíny. Vynikajúca tepelná vodivosť zliatiny zirkónia zabezpečuje vysokú účinnosť tohto procesu prenosu tepla.
Prevádzka pri limitoch nehôd: Za extrémnych podmienok, ako sú nehody so stratou vody, môže teplota jadra vzrásť nad 1200 stupňov. V tomto bode zliatiny zirkónia prechádzajú intenzívnou oxidačnou reakciou s vodnou parou, pričom vzniká plynný vodík-to bola práve priama príčina výbuchu vodíka počas jadrovej havárie vo Fukušime. V dôsledku toho sa vyvíjajú zliatiny zirkónia ďalšej{4}}generácie na spomalenie rýchlosti oxidácie pri vysokých teplotách, čím sa vytvorí kritické časové okno pre núdzové chladenie.
