Če imate priložnost vstopiti v jedrsko elektrarno z vodnim reaktorjem pod tlakom, boste skozi debelo zaščitno plast videli masivno jekleno tlačno posodo-srce reaktorja, znano kot sredica. Znotraj jedra je na desettisoče vitkih kovinskih cevi, od katerih se vsaka razteza v dolžino tri do štiri metre, razporejenih v disciplinirano formacijo in tiho stoji v vodi z visoko-temperaturo in visokim{3}}tlakom. Te cevi služijo kot zunanji ovoj za jedrsko gorivo: cevi iz cirkonijeve zlitine.
Ne oddajajo svetlobe in ne proizvajajo toplote, vendar nosijo najbolj kritično varnostno odgovornost celotne jedrske reakcije. Če jedrsko gorivo primerjamo s »srcem« reaktorja, služi obloga iz cirkonijeve zlitine kot »osrčnik«, ki obdaja to srce-tanek, a robusten, neuničljiv neviden oklep.
Zakaj ravno cirkonij?
Zahteve za materiale za obloge reaktorjev so tako rekoč stroge. Hkrati morajo izpolnjevati tri na videz protislovne specifikacije:
1. »Brezbrižnost« do nevtronov – absorpcijski presek-za toplotne nevtrone mora biti izredno nizek, da preprečimo porabo dragocenih nevtronov, ki so bistveni za vzdrževanje verižne reakcije.
2. Odpornost na visoko{1}}temperaturno vodo – Ko je dlje časa potopljen v jedko vodo pri 300–400 stopinjah in pod visokim pritiskom, se na površini pojavi minimalno rjavenje ali luščenje.
3. "Toleranca" na obsevanje: ohranja mehanske lastnosti pod intenzivnim nevtronskim obstreljevanjem, ne da bi bil podvržen krhkosti ali nabrekanju.
V celotnem periodnem sistemu le peščica kovin izpolnjuje vsa tri merila. Magnezij je preveč reaktiven, aluminij nima visoke{1}}temperaturne stabilnosti, jeklo pa kaže čezmerno absorpcijo nevtronov ... Med temi kandidati izstopa le cirkonij, ki se ponaša z ultra{3}}nizkim-presekom absorpcije toplotnih nevtronov 0,18 barila (daleč pod 2,56 barila železa in 4,5 niklja barileli), skupaj z izjemno inherentno odpornostjo proti koroziji in odpornosti proti sevanju. Razvoj cirkonijevih zlitin predstavlja ključno prelomnico za -obsežno komercializacijo tlačnovodnih reaktorjev; brez njih bi se delež jedrske energije v energetski mešanici danes verjetno znatno zmanjšal.
Transformacija iz cirkonija v "oklep"
Vendar je čisti cirkonij premehak in nima zadostne trdnosti, da bi neposredno prenesel intenzivno toplotno raztezanje/krčenje in udarce vodnega toka v jedru reaktorja. Za rešitev tega problema so metalurgi razvili dve rešitvi:
Prvič, legiranje. Dodatek majhnih količin elementov, kot so kositer, železo, krom in nikelj, cirkoniju tvori klasične sisteme, ki jih predstavljajo zlitine Zr-2 in Zr-4. Ti dodatki se vmešajo v cirkonijevo kristalno mrežo kot armaturne palice, s čimer bistveno povečajo njegovo trdnost, odpornost proti lezenju in odpornost proti hidroksidni koroziji. Pozneje so Francija, Združene države in Rusija razvile naprednejše razrede, kot so M5, ZIRLO in E110, ki izkazujejo še boljše rezultate.
Drugič, odstranjevanje nečistoč. V naravi cirkonij in hafnij vedno sobivata kot dvojčka. Vendar pa je absorpcijski presek-hafnija s toplotnimi nevtroni 600-krat večji od preseka cirkonija-, zaradi česar je prava nevtronska »črna luknja«. Posledično mora imeti cirkonij jedrske-razrednosti vsebnost hafnija strogo nadzorovano pod 0,01 %, kar zahteva izjemno zapleten postopek ločevanja s topilno ekstrakcijo, katerega stroški daleč presegajo stroške industrijskega-cirkonija. Iz tega razloga je proizvodnja jedrskega-cirkonija ključni pokazatelj samozanesljivosti jedrske-industrije države.
Prva varnostna ovira
Med obratovanjem reaktorja se vloga cevi za oblogo razteza daleč od zgolj "oblaganja goriva". Njihova celovitost neposredno določa meje jedrske varnosti.
Preprečevanje uhajanja fisijskih produktov: Radioaktivne snovi, kot sta cezij in jod, ki nastanejo med jedrsko fisijo, lahko neposredno uhajajo v hladilno tekočino, če se prebije zadrževalna posoda. Vsi uveljavljeni standardi jedrske energije zahtevajo, da stopnja okvar zadrževalnega hrama ostane pod 1 na tisoč v celotni življenjski dobi.
Prenos toplote: Znatna toplota, ki jo ustvarijo gorivni peleti, se mora hitro prenesti skozi steno obloge v zunanji tok vode, kjer se pretvori v paro za pogon turbine. Odlična toplotna prevodnost cirkonijeve zlitine zagotavlja visoko učinkovitost v tem procesu prenosa toplote.
Delovanje pri mejah nesreče: V ekstremnih pogojih, kot so nesreče zaradi izgube vode, se lahko temperatura jedra dvigne nad 1200 stopinj. Na tej točki so cirkonijeve zlitine podvržene intenzivnim oksidacijskim reakcijam z vodno paro, pri čemer nastane vodikov plin-prav to je bil neposredni vzrok za eksplozijo vodika med jedrsko nesrečo v Fukušimi. Posledično se razvijajo naslednje{4}}generacije cirkonijevih zlitin za upočasnitev stopnje oksidacije pri visokih temperaturah in s tem ustvarjanje kritičnega časovnega okna za hlajenje v sili.
