Jei turėsite galimybę patekti į slėginio vandens reaktoriaus atominę elektrinę, per storą apsauginį ekrano sluoksnį pamatysite masyvų plieninį slėginį indą -reaktoriaus širdyje, žinomu kaip aktyvioji zona. Šerdies viduje dešimtys tūkstančių plonų metalinių vamzdžių, kurių kiekvienas tęsiasi nuo trijų iki keturių metrų, yra išdėstyti disciplinuota forma, ramiai stovinčių aukštos-temperatūros ir aukšto slėgio vandenyje. Šie vamzdžiai tarnauja kaip išorinis branduolinio kuro korpusas: cirkonio lydinio apvalkalo vamzdžiai.
Jie neskleidžia šviesos ir negeneruoja šilumos, tačiau jiems tenka svarbiausia atsakomybė už visos branduolinės reakcijos saugumą. Jei branduolinis kuras yra lyginamas su reaktoriaus „širdimi“, cirkonio lydinio apvalkalas yra „perikardas“, supantis šią širdį -plonas, bet tvirtas, nepraeinantis nematomas šarvas.
Kodėl būtent cirkonis?
Reikalavimai reaktorių dengimo medžiagoms yra beveik griežti. Jie vienu metu turi atitikti tris iš pažiūros prieštaraujančias specifikacijas:
1. „Abejingumas“ neutronams – šiluminių neutronų absorbcijos skerspjūvis- turi būti labai mažas, kad nebūtų sunaudoti brangūs neutronai, būtini grandininei reakcijai palaikyti.
2. Atsparumas aukštos-temperatūros vandeniui – ilgą laiką panardinus į korozinį 300–400 laipsnių vandenį ir esant aukštam slėgiui, paviršius minimaliai rūdija ar nusilupa.
3. Švitinimo "toleravimas": išlaiko mechanines savybes intensyvaus neutronų bombardavimo metu, netrupėdamas ar neišbrinkdamas.
Periodinėje lentelėje tik keletas metalų atitinka visus tris kriterijus. Magnis yra per daug reaktyvus, aliuminis neturi stabilumo aukštoje -temperatūroje, o plienas pasižymi per dideliu neutronų sugėrimu... Iš šių kandidatų išsiskiria tik cirkonis, pasižymintis itin-maža šiluminės neutronų sugerties skerspjūviu baryels), kartu su išskirtiniu būdingu atsparumu korozijai ir atsparumu spinduliuotei. Cirkonio lydinių kūrimas yra esminis posūkio taškas didelio masto suslėgto vandens reaktorių komercializacijoje; be jų branduolinės energijos dalis energijos derinyje šiandien tikriausiai būtų gerokai sumažinta.
Virsti iš cirkonio į „šarvus“
Tačiau grynas cirkonis yra per minkštas ir neturi pakankamai tvirtumo, kad galėtų tiesiogiai atlaikyti intensyvų šiluminį plėtimąsi / susitraukimą ir vandens srauto poveikį reaktoriaus aktyvioje zonoje. Norėdami tai išspręsti, metalurgai sukūrė du sprendimus:
Pirma, legiravimas. Nedidelį kiekį elementų, tokių kaip alavas, geležis, chromas ir nikelis, pridėjus prie cirkonio, susidaro klasikinės sistemos, kurias reprezentuoja Zr-2 ir Zr-4 lydiniai. Šie priedai įsiterpia į cirkonio kristalinę gardelę kaip armatūros strypai, žymiai padidindami jos stiprumą, atsparumą šliaužimui ir atsparumą hidroksido korozijai. Vėliau Prancūzija, JAV ir Rusija sukūrė pažangesnes markes, tokias kaip M5, ZIRLO ir E110, kurios pasižymi dar geresniu našumu.
Antra, nešvarumų pašalinimas. Gamtoje cirkonis ir hafnis visada egzistuoja kaip dvyniai. Tačiau hafnio šiluminės neutronų sugerties skerspjūvis- yra 600 kartų didesnis nei cirkonio-, todėl jis yra tikra neutronų „juodoji skylė“. Vadinasi, branduolinio -cirkonio hafnio kiekis turi būti griežtai kontroliuojamas mažesnis nei 0,01 %, todėl reikalingas itin sudėtingas tirpiklio ekstrakcijos atskyrimo procesas, kurio kaina gerokai viršija pramoninio -cirkonio kainą. Dėl šios priežasties branduolinio -cirkonio gamyba yra pagrindinis šalies branduolinės pramonės savarankiškumo rodiklis.
Pirmasis saugos barjeras
Reaktoriui veikiant, apvalkalų vamzdžių vaidmuo yra kur kas daugiau nei tik „kuro aptraukimas“. Jų vientisumas tiesiogiai lemia branduolinės saugos ribas.
Skilimo produktų nutekėjimo prevencija: branduolio dalijimosi metu susidarančios radioaktyviosios medžiagos, tokios kaip cezis ir jodas, gali tiesiogiai nutekėti į aušinimo skystį, jei pažeidžiamas izoliacinis indas. Visi nustatyti branduolinės energijos standartai reikalauja, kad izoliacinio indo gedimo dažnis išliktų mažesnis nei 1 promilelis per visą jo eksploatavimo laiką.
Šilumos perdavimas: didelė kuro granulių generuojama šiluma turi būti greitai perduota per apvalkalo sienelę į išorinį vandens srautą, kur ji paverčiama garais, kad būtų varoma turbina. Puikus cirkonio lydinio šilumos laidumas užtikrina aukštą efektyvumą šiame šilumos perdavimo procese.
Eksploatavimas nelaimingų atsitikimų ribose: Esant ekstremalioms sąlygoms, tokioms kaip vandens praradimas, šerdies temperatūra gali pakilti virš 1200 laipsnių. Šiuo metu cirkonio lydiniai intensyviai oksiduojasi su vandens garais, todėl susidaro vandenilio dujos -tai buvo tiesioginė vandenilio sprogimo per Fukušimos branduolinę avariją priežastis. Todėl naujos-kartos cirkonio lydiniai kuriami siekiant sulėtinti oksidacijos greitį esant aukštai temperatūrai, taip sukuriant kritinį laiko langą avariniam vėsinimui.
