Pourquoi le zirconium est essentiel pour la sûreté et l'efficacité des réacteurs nucléaires

Pourquoi le zirconium est essentiel pour la sûreté et l'efficacité des réacteurs nucléaires

Le zirconium est un métal rare prisé pour sa résistance à la corrosion, son point de fusion élevé, sa dureté et sa résistance. Ses propriétés uniques le rendent indispensable dans l'aérospatiale, la défense et surtout l'énergie nucléaire.

Alors que les premières études suggéraient que le zirconium pourrait absorber trop de neutrons thermiques, réduisant l'efficacité du réacteur, les recherches de l'Institut d'Oak Ridge ont révélé que seule l'impureté de 2,5 % d'hafnium est responsable de la section efficace de capture neutronique élevée.

Le zirconium et l'hafnium coexistent dans le minerai et sont difficiles à séparer. Dans les années 1850, le programme de propulsion nucléaire navale adopte le zirconium pour le réacteur à eau du sous-marin Nautilus, malgré des normes de pureté limitées.

Les efforts initiaux se concentrent sur l'augmentation de la pureté du zirconium, mais même un matériau ultra-pur contient encore de l'azote résiduel qui compromet la résistance à la corrosion à haute température. Des expériences montrent plus tard que des ajouts contrôlés d'étain, fer, chrome et nickel améliorent en fait la résistance à la corrosion, menant aux premiers alliages de zirconium.

Les alliages de zirconium possèdent une section efficace de capture neutronique thermique remarquablement faible de 0,185 barn et une excellente résistance à la corrosion, les rendant idéaux pour le gainage du cœur, les grilles, les tubes guides dans les réacteurs à eau bouillante et les cuves sous pression dans les réacteurs à eau pressurisée.

Dans un réacteur à fission, les neutrons frappent les noyaux d'uranium-235, les scindant en baryum-140, krypton-93 et neutrons supplémentaires — alimentant une réaction en chaîne auto-entretenue. Un matériau capturant beaucoup de neutrons épuiserait l'énergie de la réaction, tandis qu'une résistance à la corrosion inadéquate entraînerait des réparations coûteuses et des risques de sûreté.

Mesures de capture d'hydrogène dans les alliages de zirconium

Les matériaux à haute section efficace de capture neutronique absorbent les neutrons du cœur du réacteur, réduisant le taux de réaction. Simultanément, la chaleur intense générée est évacuée par le fluide caloporteur en circulation pour éviter la surchauffe. Si le gainage corrode, il doit être remplacé, augmentant les coûts d'exploitation et compromettant la sûreté.

Conclusion

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