Jos sinulla on mahdollisuus päästä painevesireaktorin ydinvoimalaan paksun suojaavan suojakerroksen läpi, näet massiivisen teräksisen paineastian-reaktorin sydämen, joka tunnetaan nimellä sydän. Sydämen sisällä kymmeniätuhansia ohuita metalliputkia, joista jokainen venyy kolmesta neljään metriin, on järjestetty kurinalaiseen kokoonpanoon, jotka seisovat hiljaa korkean -lämpöisen ja korkeapaineisen veden sisällä. Nämä putket toimivat ydinpolttoaineen ulkovaipana: zirkoniumseoksesta valmistetut suojaputket.
Ne eivät säteile valoa eivätkä tuota lämpöä, mutta niillä on kuitenkin koko ydinreaktion kriittisin turvallisuusvastuu. Jos ydinpolttoainetta verrataan reaktorin "sydämeen", zirkoniumseoksesta valmistettu päällyste toimii "perikardina", joka ympäröi tätä sydäntä -ohuena mutta vankana, katoamattomana näkymätönnä panssarina.
Miksi juuri zirkoniumia?
Reaktorin päällystemateriaaleille asetetut vaatimukset ovat käytännössä tiukat. Niiden on täytettävä samanaikaisesti kolme näennäisesti ristiriitaista vaatimusta:
1. "välinpitämättömyys" neutroneja kohtaan – lämpöneutronien absorption poikkileikkauksen- on oltava erittäin pieni, jotta vältetään ketjureaktion ylläpitämisen kannalta välttämättömien arvokkaiden neutronien kuluttaminen.
2. Kestävyys korkean lämpötilan -lämpöiselle vedelle – Kun se upotetaan pitkiksi ajoiksi syövyttävään veteen 300–400 asteessa ja korkeassa paineessa, pinnassa on vain vähän ruostumista tai kuoriutumista.
3. Säteilyn "sietokyky": Säilyttää mekaaniset ominaisuudet voimakkaassa neutronipommituksessa ilman, että se haurastuu tai turpoaa.
Koko jaksollisessa taulukossa vain kourallinen metalleja täyttää kaikki kolme kriteeriä. Magnesium on liian reaktiivista, alumiinilta puuttuu korkean -lämpötilojen stabiilisuus ja teräksellä on liiallinen neutroniabsorptio... Näistä ehdokkaista erottuu vain zirkonium, jonka poikkileikkaus on erittäin-alhainen lämpöneutronien absorptio-, 0,18 baryelin ja 2,5 nikkelin baryelin alle. baryeli), sekä poikkeuksellinen luontainen korroosionkestävyys ja säteilynkestävyys. Zirkoniumseosten kehitys on keskeinen käännekohta painevesireaktorien laajamittaisessa kaupallistamisessa. ilman niitä ydinvoiman osuus energialähteiden yhdistelmästä pienenisi nykyään merkittävästi.
Muutos zirkoniumista "panssariksi"
Puhdas zirkonium on kuitenkin liian pehmeää ja siitä puuttuu riittävä lujuus kestämään suoraan voimakasta lämpölaajenemista/supistumista ja veden virtausvaikutuksia reaktorisydämen sisällä. Tämän ratkaisemiseksi metallurgit ovat kehittäneet kaksi ratkaisua:
Ensin seostus. Pienten määrien alkuaineita, kuten tinaa, rautaa, kromia ja nikkeliä, lisääminen zirkoniumiin muodostaa klassisia järjestelmiä, joita edustavat Zr-2- ja Zr-4-lejeeringit. Nämä lisäaineet interkaloituvat zirkoniumkidehilaan kuten raudoitustankoja, mikä parantaa merkittävästi sen lujuutta, virumiskestävyyttä ja hydroksidikorroosionkestävyyttä. Myöhemmin Ranska, Yhdysvallat ja Venäjä kehittivät edistyneempiä laatuja, kuten M5, ZIRLO ja E110, jotka osoittavat jopa ylivoimaista suorituskykyä.
Toiseksi, epäpuhtauksien poistaminen. Luonnossa zirkonium ja hafnium esiintyvät aina rinnakkain kaksoiselementteinä. Hafniumin lämpöneutroniabsorptiopoikkileikkaus- on kuitenkin 600 kertaa zirkoniumin-kertainen, joten se on todellinen neutronien "mustan aukon". Tästä syystä ydinlaatuisen -zirkoniumin hafniumpitoisuuden on oltava tiukasti kontrolloituna alle 0,01 %:n, mikä vaatii erittäin monimutkaista liuotinuuttoerotusprosessia, jonka kustannukset ovat paljon korkeammat kuin teollisuuslaatuisen -zirkoniumin. Tästä syystä ydinasteen zirkoniumin tuotanto on keskeinen indikaattori maan ydinalan omavaraisuudesta.
Ensimmäinen turvapuomi
Reaktorin toiminnan aikana suojaputkien tehtävä ulottuu paljon pidemmälle kuin pelkkä "polttoaineen kotelointi". Niiden eheys määrää suoraan ydinturvallisuuden rajat.
Fissiotuotteiden vuotamisen estäminen: Ydinfission aikana syntyneet radioaktiiviset aineet, kuten cesium ja jodi, voivat vuotaa suoraan jäähdytysnesteeseen, jos suojasäiliö rikotaan. Kaikki vakiintuneet ydinvoimastandardit edellyttävät, että suojarakennuksen aluksen vikaantuvuus on alle 1 promille koko sen käyttöiän ajan.
Lämmönsiirto: Polttoainepellettien tuottama merkittävä lämpö on siirrettävä nopeasti verhousseinän läpi ulkopuoliseen vesivirtaan, jossa se muunnetaan höyryksi turbiinin käyttämiseksi. Zirkoniumlejeeringin erinomainen lämmönjohtavuus takaa korkean hyötysuhteen tässä lämmönsiirtoprosessissa.
Työskentely onnettomuusrajoilla: Äärimmäisissä olosuhteissa, kuten vesihäviöonnettomuuksissa, sisälämpötila voi nousta yli 1200 astetta. Tässä vaiheessa zirkoniumseokset käyvät läpi voimakkaita hapettumisreaktioita vesihöyryn kanssa, jolloin muodostuu vetykaasua-tämä oli juuri Fukushiman ydinonnettomuuden aikana tapahtuneen vetyräjähdyksen suora syy. Tämän seurauksena seuraavan -sukupolven zirkoniumseoksia kehitetään hidastamaan hapettumisnopeutta korkeissa lämpötiloissa, mikä luo kriittisen aikaikkunan hätäjäähdytykselle.
