موضوع مقاله: آلیاژ زیرکونیوم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # آلیاژ زیرکونیوم | مقدمه: آلیاژهای زیرکونیوم محلول‌های جامد زیرکونیوم یا سایر فلزات هستند که یک زیرگروه رایج با علامت تجاری Zircaloy است. | ## بخش 1: آلیاژ زیرکونیوم | زیرکونیوم دارای سطح مقطع دمای نوترون، سختی بالا، شکل پذیری و مقاومت خوردگی در برابر خوردگی است. یکی از کاربردهای اصلی آلیاژهای زیرکونیوم در فناوری هسته ای به عنوان روکش میله‌های سوخت در راکتورهای هسته ای به ویژه واکنشگاه آب‌سبک است. زیرکونیوم و کمتر از ۲ درصد قلع، نیوبیم، آهن، کروم، نیکل و سایر فلزات است که برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی به آن اضافه می‌شود. خنک‌سازی آب آلیاژهای زیرکونیوم راکتور، نیاز به مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی گره‌ای مرتبط با اکسیداسیون را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، واکنش اکسیداتیو زیرکونیوم با آب ، گاز هیدروژن آزاد می‌کند که تا حدی به آلیاژ پخش می‌شود و هیدریدهای زیرکونیوم را تشکیل می‌دهد. درجه‌های هسته ای آلیاژهای زیرکونیوم حاوی بیش از ۹۵ درصد Zr هستند و بنابراین بیشتر خواص آنها مشابه زیرکونیوم خالص است. سطح مقطع جذب برای نوترون‌های حرارتی ۰٫۱۸ بارن برای زیرکونیوم است که بسیار کمتر از فلزات معمولی مانند آهن (۲٫۴ بارن) و نیکل (۴٫۵ بارن) است. در دماهای کمتر از ۱۱۰۰ کلوین، آلیاژهای زیرکونیوم به دستگاه بلوری شش‌گوشه (HCP) تعلق دارند. ریزساختار آن که با حمله شیمیایی آشکار شد، دانه‌های سوزنی‌مانندی را نشان می‌دهد که نمونه‌ای از الگوی ویدمن‌اشتاتن است. پس از بازپخت زیر دمای انتقال فاز (α-Zr به β-Zr) دانه‌ها با اندازه‌های متفاوت از ۳ تا ۵ میکرومتر تشکیل می‌شوند. | ## بخش 2: آلیاژ زیرکونیوم | توسعه Zircaloy 1 به دلیل ترکیبی از استحکام، سطح مقطع نوترون کم و مقاومت در برابر خوردگی به عنوان جایگزینی برای بسته‌های لوله موجود در راکتورهای زیردریایی در دهه ۱۹۵۰ توسعه یافت. اکسیداسیون آلیاژ زیرکونیوم آلیاژهای زیرکونیوم به راحتی با اکسیژن واکنش می‌دهند و یک لایه غیرفعال نازک نانومتری را تشکیل می‌دهند. در حالی که هیچ اتفاق نظری در مورد اینکه آیا زیرکونیوم و آلیاژ زیرکونیوم دارای سرعت اکسیداسیون یکسانی هستند وجود ندارد، زیرکالوی ۲ و ۴ از این نظر بسیار مشابه رفتار می‌کنند. اکسیداسیون با سرعت یکسان در هوا یا در آب اتفاق می‌افتد و در شرایط محیطی یا در خلاء زیاد ادامه می‌یابد. یک لایه نازک زیر میکرومتری از دی‌اکسید زیرکونیوم به سرعت در سطح تشکیل می‌شود و انتشار بیشتر اکسیژن به قسمت عمده و اکسیداسیون بعدی را متوقف می‌کند. بنابر این میزان اکسیداسیون R، ده به قوه منفی ۲۰ گرم بر متر مربع سطح بر ثانیه در ۰ درجه سانتی‌گراد، شش در ده به قوه منفی هشت (همان واحد) در سی‌صد درجه سانتی گراد، ۵٫۴ میلی‌گرم بر متر مربع. از آنجا که هیچ آستاه مشخصی برای اکسیداسیون وجود ندارد، در مقیاس ماکروسکوپی در دماهای چندصد درجه قابل توجه می‌شود. این اکسیداسیون در دماهای بالا تسریع می‌شود، به عنوان مثال در داخل یک هسته راکتور اگر مجموعه‌های سوخت دیگر به‌طور کامل توسط آب مایع پوشیده نشده و به اندازه کافی خنک نشده باشند.Luc Gillon (1979). سپس زیرکونیوم فلزی توسط پروتون‌های آب اکسید می‌شود تا گاز هیدروژن را مطابق واکنش ردوکس زیر تشکیل دهد: Zr + 2 H 2 O → ZrO 2 + 2 H 2 روکش زیرکونیوم در حضور اکسید دوتریوم که اغلب به عنوان تعدیل کننده و خنک‌کننده در راکتورهای آب سنگین تحت فشارنسل بعدی استفاده می‌شود که راکتورهای هسته ای طراحی شده توسط CANDU از آن استفاده می‌کنند، اکسیداسیون مشابهی را در مواجهه با بخار اکسید دوتریوم به شرح زیر بیان می‌کنند: Zr + 2 D 2 O → ZrO 2 + 2 D 2 این واکنش گرمازا، اگرچه فقط در دمای بالا رخ می‌دهد، شبیه واکنش فلزات قلیایی (مانند سدیم یا پتاسیم) با آب است. همچنین شباهت زیادی به اکسیداسیون بی هوازی آهن توسط آب دارد (واکنشی که آنتوان لاووازیه در دمای بالا برای تولید هیدروژن برای آزمایشات خود استفاده کرد). | ## بخش 3: آلیاژ زیرکونیوم | این واکنش مسئول یک حادثه کوچک انفجار هیدروژنی بود که برای اولین بار در داخل ساختمان راکتور ایستگاه تولید هسته ای Three Mile Island در سال ۱۹۷۹ مشاهده شد که به ساختمان مهار آسیبی وارد نکرد. این واکنش مشابه در راکتورهای آب جوش ۱، ۲ و ۳ نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما دایچی (ژاپن) پس از قطع شدن خنک‌کننده راکتور در اثر زلزله و حوادث سونامی مرتبط در طول فاجعه ۱۱ مارس ۲۰۱۱ رخ داد که منجر به فاجعه هسته‌ای فوکوشیما دایچی شد.. گاز هیدروژن به سالن‌های نگهداری راکتور تخلیه شد و مخلوط انفجاری هیدروژن با اکسیژن هوا منفجر شد. فرایند تولید هیدروژن همچنین به‌طور مکانیکی روکش میله‌ها را ضعیف می‌کند زیرا هیدریدها شکل‌پذیری و چگالی کمتری نسبت به زیرکونیوم یا آلیاژهای آن دارند و بنابراین تاول‌ها و ترک‌ها با تجمع هیدروژن ایجاد می‌شوند. گزارش شده‌است که غلظت هیدروژن در هیدریدها به محل هسته‌زایی رسوبات نیز بستگی دارد. آلیاژهای زیرکونیوم مقاوم در برابر خوردگی و زیست سازگار هستند و بنابراین می‌توان از آنها برای ایمپلنت‌های بدن استفاده کرد. در یک کاربرد خاص، یک آلیاژ Zr-2.5Nb به یک ایمپلنت زانو یا لگن تبدیل می‌شود و سپس اکسید می‌شود تا یک سطح سرامیکی سخت برای استفاده در تحمل یک جزء پلی اتیلن تولید کند. این ماده آلیاژی زیرکونیوم اکسید شده، خواص سطحی مفید سرامیک (کاهش اصطکاک و افزایش مقاومت در برابر سایش) را فراهم می‌کند، در حالی که خواص حجیم مفید فلز زیرین (قابلیت ساخت، چقرمگی شکست و شکل‌پذیری) را حفظ می‌کند و راه حل خوبی برای موارد کاربردی این ایمپلنت‌های پزشکی ارائه می‌کند. | ## جمع‌بندی | کاهش تقاضای زیرکونیوم در روسیه به دلیل غیرنظامی سازی هسته ای پس از پایان جنگ سرد منجر به تولید عجیب و غریب اقلام زیرکونیوم خانگی مانند شیشه شات ودکا شد که در تصویر نشان داده شده‌است.