El uso de circonio en reactores nucleares

El circonio es un metal de transición gris plateado. Es muy maleable y tiene altas propiedades dúctiles y forma compuestos estables. Las aleaciones de circonio se han aplicado y utilizado en diferentes sectores y de diferentes formas. Uno de sus principales atractivos es que es resistente a la corrosión.

Se usa en un ambiente con altas tendencias corrosivas; Los materiales de circonio se usan en tuberías, intercambiadores de calor, accesorios, etc. El circonio también se usa en aleaciones de acero, esmaltes de colores, ladrillos, cerámicas, abrasivos, filamentos de lámparas, piedras preciosas artificiales, etc. El circonio también encuentra aplicación en la fabricación de convertidores catalíticos. ladrillos de horno, crisoles de laboratorio, instrumentos quirúrgicos, vidrio de televisión, etc.

En este artículo, discutiremos la aplicación del circonio en reactores nucleares.
Las aleaciones de circonio tienen excelentes propiedades y se utilizan como tubos de revestimiento de combustible y en otros materiales estructurales utilizados para construir reactores nucleares.

Procesamiento de circonio

El circonio suele estar presente con otros elementos, especialmente su contraparte de la fila inferior en la tabla de Mendeleev:el hafnio. La mayoría de los minerales de circonio contienen 1,5 - 2,5% de hafnio.

El hafnio tiene una alta sección transversal de captura de neutrones térmicos, por lo que debe eliminarse del mineral de circonio antes de utilizarlo para aplicaciones nucleares.
El procesamiento de componentes industriales de aleación de circonio es bastante complejo debido a su reactividad con el oxígeno.

Aleación de circonio

La composición de la aleación de circonio de grado nuclear comprende un 95% de circonio y menos del 2% está hecho de estaño, hierro, cromo, níquel y otros metales. Estos metales se agregan para mejorar la resistencia a la corrosión de la aleación y mejorar su resistencia mecánica.

Uso de aleaciones de circonio como materiales de revestimiento

El circonio se utiliza como material de revestimiento en reactores nucleares. Proporciona cobertura para las barras de combustible cilíndricas que se utilizan para alimentar reactores nucleares. Por lo general, el revestimiento de circonio se empaqueta con gránulos de óxido de uranio o cualquier otro material fisionable.
El revestimiento de combustible se refiere a la parte exterior de las barras de combustible. Por lo general, se encuentra entre el refrigerante del reactor y el combustible nuclear. El circonio es un metal de primera elección para la mayoría de los reactores nucleares debido a su capacidad para absorber fácilmente algunos de los electrones que tienden a escapar durante una reacción de fisión. También se utiliza por su alta resistencia a los productos químicos y a la corrosión por calor. El circonio tiene una sección transversal de absorción muy baja para los neutrones térmicos.

La aleación de circonio se utiliza para revestimientos debido a sus propiedades. Evita que los productos de fisión radiactivos abandonen la matriz del combustible y se escapen al refrigerante del reactor y lo contaminen. Debido a su capacidad de enfriamiento, el circonio se utiliza como un buen metal para revestimientos.

Los reactores nucleares deben construirse con materiales con baja absorción de neutrones. Esto se debe a que una gran cantidad de neutrones producidos por la reacción deben estar libres para interactuar fácilmente y simultáneamente con todo el combustible nuclear confinado dentro de cientos de barras de combustible. Esto asegura que la reacción en cadena necesaria se mantenga dentro del núcleo del reactor.

El revestimiento de circonio, que es una aleación de circonio con otros metales, como estaño, hierro, níquel y cromo, se utiliza en las barras de combustible de las plantas generadoras de energía nuclear y también en reactores militares.

Uso de aleaciones de circonio en reactores refrigerados por agua

La temperatura más alta a la que las aleaciones de circonio siguen siendo eficaces en los reactores refrigerados por agua está determinada por su resistencia a la corrosión. Las aleaciones de circonio como el zircaloy, que contiene estaño como principal elemento de aleación, tienen altas propiedades mecánicas debido a la presencia de estaño. Zircaloy se utiliza principalmente en reactores nucleares en diferentes partes del mundo.

Oxidación de aleaciones de circonio

Las industrias nucleares han estudiado el proceso de oxidación de las aleaciones de circonio y la reacción del circonio con combustible y vapor en el caso de accidentes nucleares. Se han realizado diferentes informes con respecto a la oxidación de aleaciones de circonio a temperaturas que oscilan entre 800k e inferiores.
El agua combinada con circonio a una temperatura de 300 ° C oxida el metal para formar un óxido sólido en la superficie del metal. La tasa de oxidación depende de la presión del oxígeno o del vapor de agua.

Importancia de usar circonio como revestimiento

Una de las principales aplicaciones del Zirconio es el revestimiento de reactores nucleares. El circonio como material de revestimiento evita el escape de productos de fisión radiactivos de la matriz de combustible al refrigerante del reactor, lo que provoca contaminación.
La ausencia de revestimiento puede causar fugas en las barras de combustible. Esto conduciría a:
● Movimiento de productos de fisión radiactivos y estables como xenón, yodo o criptón en el circuito primario.
● Puede hacer que se depositen isótopos de larga duración como cesio, estroncio, tecnecio en el circuito primario.
● Aumenta el nivel general de irradiación del circuito.

Generalmente, las aleaciones de circonio seguirían siendo relevantes en el mercado nuclear, ya que ayudan a mejorar el rendimiento del combustible al permitir un mayor consumo de combustible y menores tasas de fallas. Las aleaciones de circonio seguirían siendo la mejor opción para revestir barras de combustible en los reactores de agua y nucleares. Esto se debe a su alta resistencia a la corrosión y baja sección transversal de captura de neutrones térmicos.