L'utilisation du zirconium dans les réacteurs nucléaires

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Le zirconium est un métal de transition gris argent. Il est très malléable et possède des propriétés ductiles élevées, et forme des composés stables. Les alliages de zirconium ont été appliqués et utilisés dans différents secteurs et de différentes manières. L'une de ses principales propriétés attrayantes est sa résistance à la corrosion.

Il est utilisé dans un environnement à fortes tendances corrosives ; Les matériaux en zirconium sont utilisés dans les tuyaux, les échangeurs de chaleur, les raccords, etc. Le zirconium est également utilisé dans les alliages d'acier, les glaçures colorées, les briques, les céramiques, les abrasifs, les filaments de lampes, les pierres précieuses artificielles, etc. Le zirconium trouve également une application dans la fabrication de convertisseurs catalytiques, briques de four, creusets de laboratoire, instruments chirurgicaux, verre de télévision, etc.

Dans cet article, nous discuterons de l'application du zirconium dans les réacteurs nucléaires.
Les alliages de zirconium ont d'excellentes propriétés et sont utilisés comme tubes de gainage de combustible et dans d'autres matériaux de structure utilisés pour construire des réacteurs nucléaires.

Traitement du zirconium

Le zirconium est généralement présent avec d'autres éléments, en particulier son homologue de la rangée inférieure du tableau de Mendeleev :Hafnium. La plupart des minerais de zirconium contiennent 1,5 à 2,5 % d'hafnium.

Hafnium a une section efficace de capture de neutrons thermiques élevée, il doit donc être retiré du minerai de zirconium avant d'être utilisé pour des applications nucléaires.
Le traitement des composants industriels en alliage de zirconium est assez complexe en raison de sa réactivité avec l'oxygène.

Alliage de zirconium

La composition de l'alliage de zirconium de qualité nucléaire comprend 95 % de zirconium et moins de 2 % est composé d'étain, de fer, de chrome, de nickel et d'autres métaux. Ces métaux sont ajoutés pour améliorer la résistance à la corrosion de l'alliage et améliorer sa résistance mécanique.

Utilisation d'alliages de zirconium comme matériaux de revêtement

Le zirconium est utilisé comme matériau de revêtement dans les réacteurs nucléaires. Il permet de recouvrir les crayons combustibles cylindriques utilisés pour alimenter les réacteurs nucléaires. Habituellement, la gaine en zirconium est garnie de pastilles d'oxyde d'uranium ou de toute autre matière fissile.
La gaine du combustible fait référence à la partie extérieure des crayons combustibles. Il se situe généralement entre le liquide de refroidissement du réacteur et le combustible nucléaire. Le zirconium est un métal de premier choix pour la plupart des réacteurs nucléaires en raison de sa capacité à absorber facilement quelques-uns des électrons qui ont tendance à s'échapper lors d'une réaction de fission. Il est également utilisé en raison de sa haute résistance aux produits chimiques et à la corrosion thermique. Le zirconium a une section efficace d'absorption très faible pour les neutrons thermiques.

L'alliage de zirconium est utilisé pour le revêtement en raison de ses propriétés. Il empêche les produits de fission radioactifs de quitter la matrice combustible et de s'échapper dans le liquide de refroidissement du réacteur et de le contaminer. En raison de sa capacité de refroidissement, le zirconium est utilisé comme un bon métal pour le revêtement.

Les réacteurs nucléaires doivent être construits avec des matériaux à faible absorption neutronique. En effet, un grand nombre de neutrons produits par la réaction doivent être libres d'interagir facilement et simultanément avec tout le combustible nucléaire confiné à l'intérieur de centaines de barres de combustible. Cela garantit que la réaction en chaîne nécessaire est maintenue à l'intérieur du cœur du réacteur.

Le revêtement de zirconium, qui est un alliage de zirconium avec d'autres métaux, tels que l'étain, le fer, le nickel et le chrome, est utilisé dans les barres de combustible des centrales nucléaires et également dans les réacteurs militaires.

Utilisation d'alliages de zirconium dans les réacteurs refroidis à l'eau

La température la plus élevée à laquelle les alliages de zirconium restent efficaces dans les réacteurs refroidis à l'eau est déterminée par leur résistance à la corrosion. Les alliages de zirconium comme le zircaloy, qui contient de l'étain comme élément d'alliage principal, ont des propriétés mécaniques élevées en raison de la présence d'étain. Le zircaloy est principalement utilisé dans les réacteurs nucléaires de différentes parties du monde.

Oxydation des alliages de zirconium

Les industries nucléaires ont étudié le processus d'oxydation des alliages de zirconium et la réaction du zirconium avec le combustible et la vapeur dans le cas d'accidents nucléaires. Différents rapports ont été rédigés concernant l'oxydation des alliages de zirconium à des températures allant de 800 k et moins.
L'eau combinée au zirconium à une température de 300°C oxyde le métal pour former un oxyde solide à la surface du métal. Le taux d'oxydation dépend de la pression d'oxygène ou de vapeur d'eau.

Importance d'utiliser le zirconium comme revêtement

L'une des principales applications du zirconium est le revêtement des réacteurs nucléaires. Le zirconium en tant que matériaux de gainage empêche l'échappement des produits de fission radioactifs de la matrice de combustible dans le liquide de refroidissement du réacteur, provoquant une contamination.
L'absence de gaine peut provoquer une fuite des crayons combustibles. Cela conduirait à :
● Mouvement de produits de fission stables et radioactifs tels que le xénon, l'iode ou le krypton dans le circuit primaire.
● Peut provoquer le dépôt d'isotopes à vie longue comme le césium, le strontium, le technétium sur le circuit primaire.
● Augmente le niveau global d'irradiation du circuit.

Généralement, les alliages de zirconium resteraient pertinents sur le marché nucléaire car ils contribuent à améliorer les performances du combustible en permettant des taux de combustion plus élevés et des taux de défaillance inférieurs. Les alliages de zirconium resteraient le premier choix pour le gainage des barres de combustible dans les réacteurs à eau et nucléaires. Cela est dû à sa haute résistance à la corrosion et à sa faible section efficace de capture des neutrons thermiques.