Jika anda berpeluang memasuki loji janakuasa nuklear reaktor air bertekanan, melalui lapisan pelindung pelindung yang tebal, anda akan melihat bejana tekanan keluli besar-jantung reaktor, yang dikenali sebagai teras. Di dalam teras, berpuluh-puluh ribu tiub logam langsing, masing-masing terbentang tiga hingga empat meter panjang, disusun dalam formasi berdisiplin, berdiri dengan senyap dalam-suhu tinggi,-air bertekanan tinggi. Tiub ini berfungsi sebagai selongsong luar untuk bahan api nuklear: tiub pelapisan aloi zirkonium.
Mereka tidak mengeluarkan cahaya atau menjana haba, namun mereka memikul tanggungjawab keselamatan yang paling kritikal bagi keseluruhan tindak balas nuklear. Jika bahan api nuklear disamakan dengan "jantung" reaktor, pelapisan aloi zirkonium berfungsi sebagai "perikardium" yang mengelilingi jantung ini-sebuah perisai halimunan yang nipis lagi teguh dan tidak mudah rosak.
Mengapa khusus zirkonium?
Keperluan untuk bahan pelapisan reaktor adalah hampir ketat. Mereka mesti pada masa yang sama memenuhi tiga spesifikasi yang kelihatan bercanggah:
1. "Sikap acuh tak acuh" kepada neutron – keratan rentas-serapan untuk neutron haba mestilah sangat rendah untuk mengelakkan penggunaan neutron berharga yang penting untuk mengekalkan tindak balas berantai.
2. Kekebalan kepada air bersuhu- tinggi – Apabila direndam untuk tempoh yang lama dalam air menghakis pada 300–400 darjah dan di bawah tekanan tinggi, permukaan menunjukkan pengaratan atau pengelupasan yang minimum.
3. "Toleransi" penyinaran: Mengekalkan sifat mekanikal di bawah pengeboman neutron yang sengit tanpa mengalami kemerosotan atau pembengkakan.
Sepanjang jadual berkala, hanya segelintir logam yang memenuhi ketiga-tiga kriteria. Magnesium terlalu reaktif, aluminium tidak mempunyai kestabilan suhu-yang tinggi dan keluli mempamerkan penyerapan neutron yang berlebihan... Hanya zirkonium yang menyerlah di kalangan calon-calon ini, mempunyai keratan rentas serapan neutron terma rendah-ultra- sebanyak 0.18 baryel (jauh di bawah baryel dan 4.5 nikel besi). dengan rintangan kakisan dan rintangan sinaran yang luar biasa. Pembangunan aloi zirkonium mewakili titik perubahan penting untuk pengkomersilan besar-skala reaktor air bertekanan; tanpa mereka, bahagian kuasa nuklear dalam campuran tenaga mungkin akan berkurangan dengan ketara hari ini.
Transformasi daripada zirkonium kepada "perisai"
Walau bagaimanapun, zirkonium tulen terlalu lembut dan tidak mempunyai kekuatan yang mencukupi untuk menahan secara langsung pengembangan/penguncupan haba yang sengit dan kesan aliran air dalam teras reaktor. Untuk menangani ini, ahli metalurgi telah membangunkan dua penyelesaian:
Pertama, mengaloi. Penambahan sejumlah kecil unsur seperti timah, besi, kromium, dan nikel kepada zirkonium membentuk sistem klasik yang diwakili oleh aloi Zr-2 dan Zr-4. Bahan tambahan ini berinterkalasi ke dalam kekisi kristal zirkonium seperti bar pengukuhan, meningkatkan kekuatannya, rintangan rayapan dan ketahanan terhadap kakisan hidroksida dengan ketara. Selepas itu, Perancis, Amerika Syarikat, dan Rusia membangunkan gred yang lebih maju seperti M5, ZIRLO, dan E110, yang mempamerkan prestasi yang lebih baik.
Kedua, menghilangkan kekotoran. Secara semula jadi, zirkonium dan hafnium sentiasa wujud bersama sebagai unsur kembar. Walau bagaimanapun, keratan rentas serapan neutron haba hafnium-adalah 600 kali ganda daripada zirkonium-menjadikannya "lobang hitam" neutron sebenar. Akibatnya, zirkonium gred-nuklear mesti mempunyai kandungan hafniumnya yang dikawal ketat di bawah 0.01%, memerlukan proses pengasingan pengekstrakan pelarut yang sangat kompleks yang kosnya jauh melebihi zirkonium gred-perindustrian. Atas sebab ini, pengeluaran nuklear-zirkonium gred berfungsi sebagai penunjuk utama industri nuklear{11}}berdikari negara.
Penghalang keselamatan pertama
Semasa operasi reaktor, peranan tiub pelapisan menjangkau jauh lebih daripada sekadar "bahan api pembungkus." Integriti mereka secara langsung menentukan sempadan keselamatan nuklear.
Pencegahan kebocoran produk pembelahan: Bahan radioaktif seperti sesium dan iodin yang dijana semasa pembelahan nuklear boleh terus bocor ke dalam penyejuk jika bekas pembendungan dipecahkan. Semua piawaian kuasa nuklear yang ditetapkan memerlukan kadar kegagalan kapal pembendungan kekal di bawah 1 setiap seribu sepanjang hayat perkhidmatannya.
Pemindahan haba: Haba yang besar yang dihasilkan oleh pelet bahan api mesti dipindahkan dengan cepat melalui dinding pelapisan ke aliran air luaran, di mana ia ditukar menjadi wap untuk memacu turbin. Kekonduksian terma aloi zirkonium yang sangat baik memastikan kecekapan tinggi dalam proses pemindahan haba ini.
Beroperasi pada had kemalangan: Dalam keadaan yang melampau seperti kemalangan kehilangan air, suhu teras mungkin melonjak melebihi 1200 darjah . Pada ketika ini, aloi zirkonium mengalami tindak balas pengoksidaan yang sengit dengan wap air, menghasilkan gas hidrogen-inilah punca langsung letupan hidrogen semasa kemalangan nuklear Fukushima. Akibatnya, aloi zirkonium-generasi seterusnya sedang dibangunkan untuk memperlahankan kadar pengoksidaan pada suhu tinggi, dengan itu mewujudkan tetingkap masa kritikal untuk penyejukan kecemasan.
