Pourquoi le zirconium est-il utilisé dans les réacteurs nucléaires ?

Pourquoi le zirconium est-il utilisé dans les réacteurs nucléaires ?

Zirconium est un métal rare avec une résistance à la corrosion étonnante, un point de fusion élevé, une dureté et une résistance élevées. Il est largement utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, de l'armée, de la réaction nucléaire et de l'énergie atomique. Dans la vidéo ci-dessous, il y a une expérience qui explique pourquoi le zirconium utilisé dans les réacteurs nucléaires .

Au départ, zirconium n'était pas considéré comme un matériau approprié pour une utilisation dans l'industrie nucléaire, car des études ont montré que l'effet du zirconium sur l'absorption des neutrons thermiques peut affecter l'efficacité des réacteurs nucléaires. Plus tard, des chercheurs de l'Oak Ridge Institute ont découvert que 2,5 % du hafnium dans le zirconium était responsable de sa grande section efficace de capture des neutrons thermiques.

Zirconium et hafnium sont associés au minerai et sont généralement difficiles à séparer. Jusque dans les années 1850, l'amiral du projet de propulsion nucléaire navale décida d'utiliser du zirconium dans le réacteur refroidi à l'eau du sous-marin nucléaire Nautilus.

Bien que le zirconium ait déjà été utilisé pour le projet à ce moment-là, il n'y avait pas de normes strictes pour l'utilisation du zirconium , et les chercheurs savaient seulement que l'amélioration de la pureté du zirconium serait bon pour les propriétés de l'alliage. Certains procédés sont utilisés pour purifier le zirconium en bande, mais il contient encore de petites quantités d'azote, ce qui le rend moins résistant à la corrosion à haute température.

Enfin, les chercheurs ont réalisé que la pureté n'était pas la clé de la résistance à la corrosion du zirconium, car ils ont découvert que certains matériaux en zirconium contenant des impuretés (comme l'étain, le fer, le chrome et le nickel) étaient plus résistants à la corrosion que les matériaux de zirconium de plus grande pureté. Par conséquent, le développement des alliages de zirconium est mis à l'ordre du jour.

Alliages de zirconium ont une petite section efficace de capture des neutrons thermiques (0,185b) et sont étonnamment résistants à la corrosion, ils sont donc largement utilisés dans les réacteurs à fission, tels que les tubes à noyau, les grilles et les tubes de guidage dans les réacteurs à eau bouillante, ainsi que la pression tuyaux et cuves d'échappement des réacteurs à eau sous pression.

Avec l'application de alliages de zirconium dans l'industrie de l'énergie nucléaire, l'industrie du zirconium s'est développée rapidement. Dans le réacteur nucléaire à changement géant, le combustible nucléaire est une réaction de fission tout le temps.

Dans la réaction, le neutron bombarde le noyau d'U235, qui se scinde en Ba140 et Kr93, et libère deux ou trois neutrons en même temps ; d'autres noyaux U235 sont bombardés par ces neutrons et re-fission. C'est la réaction en chaîne de la fission.

Mesures de captage d'hydrogène dans les alliages de zirconium

Un matériau avec une grande section efficace de capture de neutrons absorbera de nombreux neutrons lorsqu'ils heurteront le mur, réduisant ainsi l'efficacité de la réaction en chaîne. Pendant ce temps, la réaction en chaîne produit beaucoup de chaleur, qui est éliminée par la circulation d'eau de refroidissement (ou d'autres liquides de refroidissement) pour éviter une surchauffe et des dommages au réacteur.

Lorsque les métaux entrent en contact avec de l'eau à haute température, ils peuvent être corrodés (oxydés). Les matériaux ayant une faible résistance à la corrosion doivent être remplacés fréquemment, ce qui augmente le coût et conduit facilement à des accidents de sécurité.

Par conséquent, en tant que matériaux de gainage et de structure, les alliages de zirconium doivent avoir une faible section efficace de capture des neutrons et une excellente résistance à la corrosion, de sorte que le développement des alliages de zirconium doit être attribué à l'industrie nucléaire.

Conclusion 

Merci d'avoir lu notre article - Pourquoi le zirconium est-il utilisé dans les réacteurs nucléaires ? et nous espérons que vous l'avez apprécié. Si vous souhaitez en savoir plus sur le métal réfractaire zirconium et ses utilisations, vous pouvez visiter Métaux réfractaires avancés (ARM). Nous fournissons à nos clients des métaux réfractaires de haute qualité à un prix très compétitif.