Si teniu l'oportunitat d'entrar a una central nuclear d'un reactor d'aigua a pressió, a través de la gruixuda capa de protecció protectora, veureu un enorme recipient a pressió d'acer-el cor del reactor, conegut com a nucli. Dins del nucli, desenes de milers de tubs metàl·lics esvelts, cadascun d'entre tres i quatre metres de llargada, estan disposats en una formació disciplinada, dempeus en silenci dins d'aigua d'alta-temperatura i alta- pressió. Aquests tubs serveixen com a carcassa exterior del combustible nuclear: els tubs de revestiment d'aliatge de zirconi.
No emeten llum ni generen calor, però tenen la responsabilitat de seguretat més crítica de tota la reacció nuclear. Si el combustible nuclear es compara amb el "cor" d'un reactor, el revestiment d'aliatge de zirconi serveix com a "pericardi" que envolta aquest cor-una armadura invisible fina però robusta i imperible.
Per què concretament el zirconi?
Els requisits per als materials de revestiment del reactor són pràcticament estrictes. Han de complir simultàniament tres especificacions aparentment contradictòries:
1. La "indiferència" als neutrons: la secció transversal d'absorció-de neutrons tèrmics ha de ser extremadament baixa per evitar consumir els preciosos neutrons essencials per mantenir la reacció en cadena.
2. Immunitat a l'aigua d'alta-temperatura: quan s'immergeix durant períodes prolongats en aigua corrosiva a 300-400 graus ia alta pressió, la superfície presenta un mínim d'oxidació o descamació.
3. "Tolerància" a la irradiació: Manté les propietats mecàniques sota un intens bombardeig de neutrons sense patir fragilitat o inflació.
Al llarg de la taula periòdica, només un grapat de metalls compleixen els tres criteris. El magnesi és massa reactiu, l'alumini no té una alta-estabilitat a la temperatura i l'acer presenta una absorció excessiva de neutrons... Només el zirconi destaca entre aquests candidats, amb una secció transversal d'absorció de neutrons tèrmica ultra{-baixa-de 0,18 bariels (molt per sota dels barils de ferro 2,456) al llarg dels barils de ferro 2,456. amb una resistència inherent a la corrosió i la radiació excepcionals. El desenvolupament d'aliatges de zirconi representa un punt d'inflexió per a la-comercialització a gran escala de reactors d'aigua a pressió; sense ells, la participació de l'energia nuclear en el mix energètic probablement es reduiria significativament avui.
La transformació de zirconi a "armadura"
Tanmateix, el zirconi pur és massa tou i no té la força suficient per suportar directament l'expansió / contracció tèrmica intensa i els impactes del flux d'aigua dins del nucli del reactor. Per solucionar-ho, els metal·lúrgics han desenvolupat dues solucions:
Primer, l'aliatge. L'addició de petites quantitats d'elements com estany, ferro, crom i níquel al zirconi forma sistemes clàssics representats per aliatges Zr-2 i Zr-4. Aquests additius s'intercalen a la xarxa de cristall de zirconi com barres de reforç, millorant significativament la seva força, resistència a la fluència i resistència a la corrosió per hidròxid. Posteriorment, França, els Estats Units i Rússia van desenvolupar graus més avançats com ara M5, ZIRLO i E110, que presenten un rendiment fins i tot superior.
En segon lloc, eliminar les impureses. A la natura, el zirconi i l'hafni conviuen sempre com a elements bessons. Tanmateix, la secció transversal d'absorció de neutrons tèrmics de l'hafni-és 600 vegades la del zirconi-per la qual cosa és un autèntic "forat negre" de neutrons. En conseqüència, el zirconi de grau nuclear -ha de tenir el seu contingut d'hafni estrictament controlat per sota del 0,01%, la qual cosa requereix un procés de separació d'extracció de dissolvents extremadament complex el cost del qual supera amb escreix el del zirconi de grau industrial-. Per aquest motiu, la producció de zirconi de grau-nuclear serveix com a indicador clau de l'autosuficiència-de la indústria nuclear d'un país.
La primera barrera de seguretat
Durant el funcionament del reactor, el paper dels tubs de revestiment s'estén molt més enllà del simple "combustible". La seva integritat determina directament els límits de la seguretat nuclear.
Prevenció de fuites de productes de fissió: les substàncies radioactives com el cesi i el iode generades durant la fissió nuclear poden filtrar-se directament al refrigerant si es trenca el recipient de contenció. Tots els estàndards d'energia nuclear establerts requereixen que la taxa de fallada del recipient de contenció es mantingui per sota de l'1 per mil durant tota la seva vida útil.
Transferència de calor: la calor substancial generada pels pellets de combustible s'ha de transferir ràpidament a través de la paret del revestiment al flux d'aigua extern, on es converteix en vapor per impulsar la turbina. L'excel·lent conductivitat tèrmica de l'aliatge de zirconi garanteix una alta eficiència en aquest procés de transferència de calor.
Funcionament als límits d'accident: en condicions extremes, com ara accidents de pèrdua d'aigua, la temperatura central pot augmentar per sobre dels 1200 graus. En aquest punt, els aliatges de zirconi pateixen intenses reaccions d'oxidació amb vapor d'aigua, produint gas hidrogen-aquesta va ser precisament la causa directa de l'explosió d'hidrogen durant l'accident nuclear de Fukushima. En conseqüència, s'estan desenvolupant aliatges de zirconi de propera generació-per frenar la velocitat d'oxidació a altes temperatures, creant així una finestra de temps crítica per al refredament d'emergència.
