Cyrkaloj
Zircaloy (z angielskiego Zirconium i „alloy” = alloy ) to nazwa ogólna i marka nadana grupie stopów cyrkonu ( roztwory stałe ).
Zircaloy jest stosowany w przemyśle chemicznym do jego wyjątkowych właściwościach fizykochemicznych.
Jego materiały składowe są obfite, ale oczyszczanie cyrkonu jest kosztowne.
Stopy te są stosowane przede wszystkim w przemyśle jądrowym (zwłaszcza w „reaktorach wodnych”) ze względu na ich przezroczystość neutronową (cyrkon ma bardzo mały przekrój absorpcji neutronów termicznych). Tworzą one okładzinę prętów paliwowych , które stanowią pierwszą barierę ograniczającą , a drugą powłokę reaktora i obwodu pierwotnego.
Chłodzenie reaktora jest niezbędne, aby cyrkon zachował dobrą wytrzymałość i odporność na utlenianie i korozję sferoidalną.
W określonych warunkach (w szczególności radioaktywność, wysoka temperatura i obecność pary wodnej) możliwa jest reakcja utleniania cyrkonu z wodorem wody, z tworzeniem i dyfuzją w stopie cyrkonu mniej gęstych wodorków, źródłami kruchości mechanicznej ( z pęcherzami, łuszczeniem i możliwym pękaniem lub pękaniem); zjawisko to jest znane jako „kruchość wodorowa” ( w języku angielskim kruchość wodorowa ). W przypadku odwodnienia (awaria chłodzenia) paliwa jądrowego lub podczas nadmiernego wzrostu temperatury, a nawet przypadkowego opróżnienia rdzenia, w płaszczu cyrkonowym dochodzi do uszkodzenia lub utraty szczelności.
Nieruchomości
Rodzaje lub „odcienie” Zircaloy
-
Zircaloy-1 ( Zy-1 ): stop cyrkonu z 2,5% cyną . Główną wadą tego stopu jest to, że z czasem ulega on korozji. Dodano dodatkowe elementy, aby przeciwdziałać temu efektowi.
-
Zircaloy-2 ( Zy-2 ): stop cyrkonu (98,25% mas.), cyny (1,45%), chromu (0,10%), żelaza (0,135%), niklu (0,055%) i resztkowego hafnu (<0,01% ). [1] . Stop ten jest stosowany głównie w reaktorach z wrzącą wodą ( BWR ).
-
Zircaloy-4 ( Zy-4 ): stop cyrkonu (98,23% masowo), cyny (1,45%), chromu (0,10%), żelaza (0,21%) i hafnu (<0,01%). [2] . Jest to główny materiał płaszcza paliw do elektrowni wodnych ciśnieniowych ( PWR ). Istnieją warianty Zy-4 (mniejsza zawartość cyny), które pozwalają na zmniejszenie złuszczania warstwy tlenkowej powstającej podczas eksploatacji.
„Jądrowy” Zircaloy
Musi zawierać co najmniej 95% (masy) cyrkonu i jak najmniej hafnu (ponieważ materiał ten ma wysoką skuteczną sekcję absorpcji neutronów), ale naturalna ruda zawiera zarówno cyrkon, jak i hafn: „ komercyjny ” cyrkon zawiera około 1,5% hafnu.
Oddzielenie hafnu to delikatna operacja, która stanowi około 90% kosztów „jądrowego” cyrkonu. Hafnu jest jednak cenionymi materiału chłonnego drążków sterujących z reaktorów jądrowych (reaktory pokładzie łodzi podwodnych lub reaktory eksperymentalna).
Na ogół zawiera mniej niż 2% cyny , niobu , żelaza , chromu , niklu i kilku innych metali , które dodaje się do niego w celu poprawy jego właściwości mechanicznych i odporności na korozję.
Problemy i wady
W przypadku utraty chłodziwa pierwotnego (PRRO) w reaktorze jądrowym, kruchość wodorowa przyspiesza degradację powłoki cyrcalowej prętów paliwowych wystawionych na działanie oparów o wysokiej temperaturze.
-
Kruchość wodorowa: Zircaloy ma duże powinowactwo z wodorem, z którym tworzy wodorki (5 do 20% wodoru w kontakcie może dyfundować do powłoki Zircaloy i tworzyć wodorki, które silnie ją osłabiają). Jednak w pewnych warunkach wysokiej radioaktywności i temperatury radioaktywność paliwa jądrowego może dysocjować wodę na wodór i tlen. Kontrolowanie ilości powstających wodorków jest zatem kluczowym parametrem w projektowaniu reaktorów jądrowych. Zjawisko to należy do tych, które ograniczają wykorzystanie paliwa jądrowego (ograniczenie spalania poniżej progu bezpieczeństwa).
-
Utlenianie korozyjne: W pewnych warunkach Zircaloy reaguje również z tlenem ( O 2 lub H 2 O ), tworząc tlenek cyrkonu (zwany również cyrkonem ).
Jego struktura krystaliczna jest bardzo różna, gdy warstwa tlenku staje się zbyt duża, tworzy pęcherze lub złuszcza się w postaci płytek: nazywa się to „złuszczaniem tlenkowym” .
Ponadto reakcja utleniania cyrkonu jest egzotermiczna . W wysokiej temperaturze dochodzi do niekontrolowanej reakcji utleniania ze znacznym wydzielaniem ciepła, co wpływa na odporność materiału oraz znacznym wydzielaniem wodoru. Stąd wybuchy wodoru, które zniszczyły budynki reaktorów elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi w Japonii w Japonii.marzec 2011w następstwie utraty funkcji chłodzenia reaktorów i/lub ich basenów dezaktywacji paliwa .
- Zy-4 poddany bardzo długiemu naświetlaniu ma tendencję zarówno do znacznego utleniania, jak i uwadniania. To jest powód, dla którego producenci zawsze dążą do opracowania nowych stopów cyrkonu o lepszych właściwościach antykorozyjnych.
Jest to stop cyrkonu z niobem i innymi dodatkami :
- stop Zirlo ( Westinghouse , Stany Zjednoczone),
- E110 (Rosja),
- M5 ( Areva NP, Francja).
Te nowe materiały powinny stopniowo zastępować Zy-4.
Czipsy cyrcaloy są wyjątkowo łatwopalne. Mogą same się zapalić, jeśli mają kontakt z olejem lub wysoką temperaturą.
Bibliografia
-
(w) IAEA Opóźnione pękanie wodorkowe w stopach cyrkonu w reaktorach jądrowych z rurą ciśnieniową , Raport końcowy ze skoordynowanego projektu badawczego od 1998 do 2002, październik 2004.
-
(w) Światowe Stowarzyszenie Jądrowe, Produkcja Paliw ; Produkcja paliwa jądrowego , marzec 2010.
-
Mary Eagleson (1994). Zwięzła chemia encyklopedii . Waltera de Gruytera. s. 1199–. ( ISBN 978-3-11-011451-5 ) . https://books.google.com/books?id=Owuv-c9L_IMC&pg=PA1199 . Źródło 18 marca 2011
-
OECD, Zachowanie się paliwa jądrowego w warunkach wypadku z utratą chłodziwa (LOCA) . Najnowocześniejszy raport. 2009, NEA nr 6846.
-
DOE-HDBK-1017/2-93, styczeń 1993, DOE Fundamentals Handbook, Material Science, tom 2 z 2, Departament Energii Stanów Zjednoczonych, styczeń 2003, str. 12, 24.
Zobacz również
Powiązane artykuły
Bibliografia