Por que o zircônio é usado em reatores nucleares?

Por que o zircônio é usado em reatores nucleares?

Zircônio é um metal raro com incrível resistência à corrosão, alto ponto de fusão, alta dureza e resistência. É amplamente utilizado nos campos aeroespacial, militar, de reação nuclear e de energia atômica. No vídeo abaixo, há um experimento que explica por que o zircônio é usado em reatores nucleares .

Inicialmente, zircônio não foi considerado um material adequado para uso na indústria nuclear, pois estudos mostraram que o efeito do zircônio na absorção de nêutrons térmicos pode afetar a eficiência dos reatores nucleares. Mais tarde, pesquisadores do Oak Ridge Institute descobriram que 2,5% do háfnio no zircônio foi responsável por sua grande seção transversal de captura de nêutrons térmicos.

Zircônio e háfnium estão associados ao minério e geralmente são difíceis de separar. Até a década de 1850, o almirante do projeto Naval Nuclear Propulsion decidiu usar zircônio no reator refrigerado a água do submarino Nautilus Nuclear.

Embora o zircônio já tivesse sido usado para o projeto naquela época, não havia padrões rígidos para o uso de zircônio , e os pesquisadores só sabiam que melhorar a pureza do zircônio seria bom para as propriedades da liga. Alguns processos são usados ​​para purificar a tira de zircônio, mas ele ainda contém pequenas quantidades de nitrogênio, tornando-o menos resistente à corrosão em altas temperaturas.

Finalmente, os pesquisadores perceberam que a pureza não era a chave para a resistência à corrosão do zircônio, porque descobriram que alguns materiais de zircônio contêm impurezas (como estanho, ferro, cromo e níquel) eram mais resistentes à corrosão do que os materiais de zircônio de maior pureza. Portanto, o desenvolvimento de ligas de zircônio é colocado na ordem do dia.

Ligas de zircônio têm uma pequena seção transversal de captura de nêutrons térmicos (0,185b) e são surpreendentemente resistentes à corrosão, por isso são amplamente usados ​​em reatores de fissão, como tubos revestidos de núcleo, grades e tubos guia em reatores de água fervente, bem como de pressão tubos e vasos de exaustão em reatores de água pressurizada.

Com a aplicação de ligas de zircônio na indústria de energia nuclear, a indústria do zircônio desenvolveu-se rapidamente. No reator de mudança gigante nuclear, o combustível nuclear é uma reação de fissão o tempo todo.

Na reação, o nêutron bombardeia o núcleo do U235, que se divide em Ba140 e Kr93, e libera dois ou três nêutrons ao mesmo tempo; outros núcleos U235 são bombardeados por esses nêutrons e re-fissão. Esta é a reação em cadeia da fissão.

Medições de captação de hidrogênio em ligas de zircônio

Um material com uma grande seção transversal de captura de nêutrons irá absorver muitos nêutrons quando atingirem a parede, reduzindo a eficiência da reação em cadeia. Enquanto isso, a reação em cadeia produz muito calor, que é removido pela circulação de água de resfriamento (ou outros refrigerantes) para evitar superaquecimento e danos ao reator.

Quando os metais entram em contato com água em alta temperatura, eles podem ser corroídos (oxidados). Materiais com baixa resistência à corrosão precisam ser substituídos com frequência, o que aumenta o custo e facilmente leva a acidentes de segurança.

Portanto, como revestimento de núcleo e materiais estruturais, as ligas de zircônio devem ter seção transversal de captura de nêutrons baixa e excelente resistência à corrosão, portanto, o desenvolvimento de ligas de zircônio deve ser atribuído a a indústria nuclear.

Conclusão

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