O Uso de Zircônio em Reatores Nucleares

Zircônio é um metal de transição cinza prateado. É muito maleável e possui altas propriedades dúcteis, formando compostos estáveis. As ligas de zircônio têm sido aplicadas e utilizadas em diversos setores e de diferentes maneiras. Uma de suas principais propriedades atrativas é a resistência à corrosão.

É usado em um ambiente com alta tendência corrosiva; Os materiais de zircônio são usados ​​em tubos, trocadores de calor, acessórios, etc. O zircônio também é usado em ligas de aço, esmaltes coloridos, tijolos, cerâmicas, abrasivos, filamentos de lâmpadas, pedras preciosas artificiais, etc. O zircônio também encontra aplicação na fabricação de conversores catalíticos, tijolos de fornalha, cadinhos de laboratório, instrumentos cirúrgicos, vidro de televisão, etc.

Neste artigo, discutiremos a aplicação do Zircônio em reatores nucleares.
As ligas de zircônio têm excelentes propriedades e são usadas como tubos de revestimento de combustível e em outros materiais estruturais usados ​​para construir reatores nucleares.

Processamento de zircônio

Zircônio geralmente está presente com outros elementos, especialmente sua contraparte da linha inferior na tabela de Mendeleev:Hafnium. A maioria dos minérios de Zircônio contém 1,5 - 2,5% de Háfnio.

O háfnio tem uma alta seção transversal de captura de nêutrons térmicos, portanto, precisa ser removido do minério de zircônio antes de ser usado para qualquer aplicação nuclear.
O processamento de componentes industriais de liga de zircônio é bastante complexo devido à sua reatividade com o oxigênio.

Liga de zircônio

A composição da liga de zircônio de grau nuclear compreende 95% de zircônio e menos de 2% é feito de estanho, ferro, cromo, níquel e outros metais. Esses metais são adicionados para melhorar a resistência à corrosão da liga e melhorar sua resistência mecânica.

Uso de ligas de zircônio como materiais de revestimento

O zircônio é usado como material de revestimento em reatores nucleares. Ele fornece cobertura para as barras de combustível cilíndricas usadas para alimentar reatores nucleares. Normalmente, o revestimento de zircônio é embalado com grânulos de óxido de urânio ou qualquer outro material fissionável.
O revestimento de combustível se refere à parte externa das hastes de combustível. Geralmente, fica entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear. O zircônio é um metal de primeira escolha para a maioria dos reatores nucleares devido à sua capacidade de absorver facilmente alguns dos elétrons que tendem a escapar durante uma reação de fissão. Também é utilizado devido à sua alta resistência a produtos químicos e corrosão por calor. O zircônio tem uma seção transversal de absorção muito baixa para nêutrons térmicos.

A liga de zircônio é usada para revestimento devido às suas propriedades. Ele evita que produtos de fissão radioativos saiam da matriz de combustível e escapem para o refrigerante do reator, contaminando-o. Devido à sua capacidade de resfriamento, o zircônio é usado como um bom metal para revestimento.

Os reatores nucleares precisam ser construídos com materiais com baixa absorção de nêutrons. Isso ocorre porque um grande número de nêutrons produzidos pela reação deve estar livre para interagir facilmente e simultaneamente com todo o combustível nuclear confinado em centenas de barras de combustível. Isso garante que a reação em cadeia necessária seja mantida dentro do núcleo do reator.

O revestimento de zircônio, que é uma liga de zircônio com outros metais, como estanho, ferro, níquel e cromo, é usado nas barras de combustível de usinas de geração de energia elétrica nuclear e também em reatores militares.

Uso de ligas de zircônio em reatores resfriados a água

A temperatura mais alta na qual ligas de zircônio permanecem eficazes em reatores refrigerados a água é determinada por sua resistência à corrosão. Ligas de zircônio como o zircaloy, que contém estanho como principal elemento de liga, têm altas propriedades mecânicas devido à presença de estanho. Zircaloy é usado principalmente em reatores nucleares em diferentes partes do mundo.

Oxidação de ligas de zircônio

As indústrias nucleares estudaram o processo de oxidação das ligas de zircônio e a reação do zircônio com combustível e vapor no caso de acidentes nucleares. Diferentes relatórios foram feitos em relação à oxidação de ligas de zircônio em temperaturas variando de 800k e abaixo.
Água combinada com Zircônio a uma temperatura de 300 ° C oxida o metal para formar um óxido sólido na superfície do metal. A taxa de oxidação depende da pressão do oxigênio ou do vapor de água.

Importância de usar zircônio como revestimento

Uma das principais aplicações do Zircônio é o revestimento de reatores nucleares. O zircônio como material de revestimento evita o escape de produtos de fissão radioativos da matriz de combustível para o refrigerante do reator, causando contaminação.
A ausência de revestimento pode causar vazamento das hastes de combustível. Isso levaria a:
● Movimento de produtos de fissão estáveis ​​e radioativos, como xenônio, iodo ou criptônio, para o circuito primário.
● Pode fazer com que isótopos de longa duração como césio, estrôncio, tecnécio sejam depositados no circuito primário.
● Aumenta o nível geral de irradiação do circuito.

Geralmente, as ligas de zircônio permaneceriam relevantes no mercado nuclear, pois ajudam a melhorar o desempenho do combustível, permitindo maior consumo de combustível e menores taxas de falha. As ligas de zircônio continuariam sendo a principal escolha para revestimento de barras de combustível em reatores de água e nucleares. Isso se deve à sua alta resistência à corrosão e baixa seção transversal de captura para nêutrons térmicos.