El circonio puro es un metal de transición fuerte, de color blanco grisáceo, brillante que se asemeja al hafnio y, en menor medida, al titanio. El circonio se utiliza principalmente como refractario y opacificante, aunque se utilizan pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. El circonio y sus aleaciones se utilizan ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. El circonio aleado con niobio o estaño tiene excelentes propiedades anticorrosivas. La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones de circonio resulta de la formación natural de un óxido estable denso en la superficie del metal. Esta película es autocurativa, continúa creciendo lentamente a temperaturas de hasta aproximadamente 550°C (1020°F) y permanece firmemente adherida. La propiedad deseada de estas aleaciones también es unasección transversal de captura de neutrones baja. Las desventajas del circonio son las propiedades de baja resistencia y la baja resistencia al calor, que se pueden eliminar, por ejemplo, mediante una aleación con niobio.
- Circonio – Aleaciones de niobio. Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.
- Circonio – Aleaciones de estaño. Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, proporciona una mejora de sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los EE. UU. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.
El material de revestimiento para los nuevos diseños de combustible 17×17 se basa también en las aleaciones de circonio-niobio (por ejemplo, el material Optimized ZIRLO), que ha demostrado tener una resistencia a la corrosión mejorada en comparación con los materiales de revestimiento de combustible anteriores. El nivel de estaño optimizado proporciona una tasa de corrosión reducida al tiempo que mantiene los beneficios de la fuerza mecánica y la resistencia a la corrosión acelerada por condiciones químicas anormales.
Costos del circonio
En términos de costo, estas aleaciones también son a menudo los materiales de elección para los intercambiadores de calor y los sistemas de tuberías para las industrias de procesamiento químico y nuclear. El circonio es un subproducto de la extracción y procesamiento de minerales de titanio, así como de la extracción de estaño. De 2003 a 2007, mientras que los precios del circón mineral aumentaron constantemente de $360 a $840 por tonelada, el precio del circonio en bruto disminuyó de $39,900 a $22,700 por tonelada. El circonio metálico es mucho más caro que el circonio porque los procesos de reducción son costosos. Todos los costos varían significativamente con cierta pureza.
Producción de circonio
La producción de circonio metálico requiere técnicas especiales debido a las propiedades químicas particulares del circonio. La mayor parte del metal Zr se produce a partir de circón (ZrSiO4) mediante la reducción del cloruro de circonio con magnesio metálico en el proceso Kroll. La característica clave del proceso Kroll es la reducción del cloruro de circonio a circonio metálico por magnesio. El circonio comercial de grado no nuclear contiene típicamente 1 a 5% de hafnio, cuya sección transversal de absorción de neutrones es 600 veces mayor que la del circonio. Por lo tanto, el hafnio debe eliminarse casi por completo (reducirse a <0,02% de la aleación) para aplicaciones de reactores.
Aleación de circonio – Zircaloy – 4
Zircaloy-4 (UNS R60804) es una variación de Zircaloy-2, pero no contiene níquel y tiene un contenido de hierro más alto y más controlado. Las propiedades mecánicas son similares al circonio puro, más fuerte y menos dúctil, con una excelente resistencia a la corrosión. Esta aleación también se utiliza en servicios nucleares; absorbe menos hidrógeno que Zircaloy-2 cuando se expone a la corrosión en agua y vapor.
Zircaloy-4 se desarrolló a partir de Zircaloy-2 con el objetivo principal de reducir la tendencia a absorber hidrógeno. Así, se aplican las mismas especificaciones de composición, excepto para el níquel, que está limitado a un máximo de 0,007%, y el hierro, cuyo rango se reduce al 0,18%.
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