15) Цирконий,
третий по ядерным параметрам элемент, имеет высокую температуру плавления, достаточно высокую механическую прочность при повышенных температурах, хорошую коррозионную стойкость в воде и паре, приемлемую стоимость и распространенность и потому широко применяется как конструкционный материал в легководных и тяжеловодных реакторах. Применяется в виде сплавов.
Преимущества |
Недостатки |
1. Низкое сечение поглощения тепловых нейтронов 2. Высокая температура плавления 3. Высокая механическая прочность при повышенных температурах 4. Хорошая коррозионная стойкость в воде и паре 5. Обрабатываемость и технологичность 6. Приемлемая стоимость и распространенность |
1. Низкая теплопроводность 2. Относительно низкое тепловое расширение 3. Невысокая коррозионная стойкость при высоких температурах 4. Относительная дороговизна |
Распространенность, выделение из руд, получение и производство изделий из него. Несмотря на то что цирконий относится к редким металлам, но все же более распространен в земной коре, чем никель, медь, свинец и цинк. Основным минеральным сырьем для получения циркония является циркон ZrSiO4 и баделеит ZrO2. Минералы циркония всегда содержат некоторое количество гафния (0,5–5 % по массе), физические и химические свойства которого близки к свойствам циркония.
Производство циркония включает процессы разделения циркония и гафния. Цирконий трудно поддается очистке, и полученный чистый металл может при контакте с окружающей средой загрязниться такими элементами, как О2, N2, Н2 или СО2. Эти примеси оказывают сильное отрицательное влияние на свойства циркония и его сплавов.
Для получения из циркона металлического циркония в промышленности разработан модифицированный процесс Кролла. Процесс состоит из следующих основных операций: 1) карбонизация циркона; 2) хлорирование карбида циркония; 3) очистка и уплотнение необработанного хлорида циркония; 4) магнийтермическое восстановление очищенного хлорида циркония; 5) отделение MgCl2 от восстановленного циркония; 6) дуговая плавка губчатого циркония.
Для получения высокочистого циркония применяют иодидный процесс.
Очищенный от гафния губчатый или иодидный цирконий может использоваться при производстве циркониевых сплавов, например циркалоев.
Загрязнение циркония и сплавов кислородом, азотом и водородом снижают пластичность и повышают механическую прочность металла.
Методом спекания прессовок в вакууме или инертной атмосфере из порошкового циркония легко получают изделия с высокой плотностью и пластичностью.
Ядерные, физические, теплофизические и механические свойства. Ниже приведены свойства и характеристики циркония как конструкционного материала.
Сечение поглощения тепловых нейтронов, б………0,180; Сечение рассеяния тепловых нейтронов, б………...8,0; Плотность (теоретическая), г/см3…………………...6,50; Температура плавления, °С………………………….1852 ± 10; Температура кипения (приблизительно), °С……….3580; Удельная теплоемкость Ср при 20 °С, Дж/(г×°С)…...0,28; Теплопроводность при 20 °С, Дж/(см×с×°С)………...0,18 (растет с ростом Т); Линейный коэффициент теплового расширения при 20 °С, 10-6/°С; Предел прочности…….200-400Мпа (с ростом Т незначит. падает).
Циркониевые сплавы. Циркалой. Цирконий может образовывать двойные, тройные и многокомпонентные сплавы со многими элементами: бериллием, алюминием, хромом, медью, железом, молибденом, никелем, ниобием, оловом и т.д. Легирующие элементы добавляют для повышения механических свойств и коррозионной стойкости циркония при повышенных температурах. Циркониевые сплавы. Циркалой. Цирконий может образовывать двойные, тройные и многокомпонентные сплавы со многими элементами: бериллием, алюминием, хромом, медью, железом, молибденом, никелем, ниобием, оловом и т.д. Легирующие элементы добавляют для повышения механических свойств и коррозионной стойкости циркония при повышенных температурах. Из них циркалой-2 используется в кипящих водяных и тяжеловодных реакторах, циркалой-4 – в энергетических водяных, а циркалой-3 – в некоторых судовых атомных установках.
Все сплавы циркония, в том числе циркалои, характеризуются высокой коррозионной стойкостью в воде и паре при температурах до 400 °С. Обладание этим качеством является, по существу, основным требованием к конструкционному материалу энергетических, кипящих водяных и тяжеловодных ядерных реакторов.
При температуре 873 К U02 медленно взаимодействует со сплавами циркония с образованием Zr02. Происходит охрупчивание циркония.