O zircônio puro é um metal de transição brilhante, branco-acinzentado e forte que se assemelha ao háfnio e, em menor grau, ao titânio. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como agente de liga por sua forte resistência à corrosão. O zircônio e suas ligas são amplamente utilizados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. Zircônio ligado com nióbio ou estanho tem excelentes propriedades de corrosão. A alta resistência à corrosão das ligas de zircônio resulta da formação natural de um óxido denso e estável na superfície do metal. Este filme é auto-reparador, continua a crescer lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550°C (1020°F) e permanece fortemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas também é uma seção de choque de baixa captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, ligando-se ao nióbio.
Composição das ligas de zircônio
- Zircônio – Ligas de Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimento de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material base do canal de montagem do reator RBMK. A liga Zr + 1% Nb do tipo N-1 E-110 é usada para revestimentos de elementos combustíveis, a liga Zr + 2,5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
- Zircônio – Ligas de Estanho. As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.
O material de revestimento para os novos projetos de combustível 17×17 é baseado também nas ligas de zircônio-nióbio (por exemplo, material ZIRLO otimizado), que demonstrou ter resistência à corrosão aprimorada em comparação com materiais de revestimento de combustível anteriores. O nível de estanho otimizado fornece uma taxa de corrosão reduzida enquanto mantém os benefícios de força mecânica e resistência à corrosão acelerada de condições químicas anormais.
Produção de Zircônio
A produção de zircônio metálico requer técnicas especiais devido às propriedades químicas particulares do zircônio. A maior parte do Zr metálico é produzida a partir do zircão (ZrSiO4) pela redução do cloreto de zircônio com o magnésio metálico no processo Kroll. A principal característica do processo Kroll é a redução do cloreto de zircônio em zircônio metálico por magnésio. O zircônio comercial de grau não nuclear normalmente contém 1–5% de háfnio, cuja seção transversal de absorção de nêutrons é 600x a do zircônio. O háfnio deve, portanto, ser quase totalmente removido (reduzido para < 0,02% da liga) para aplicações em reatores.
Ligas de Zircônio na Indústria Nuclear
Revestimento de combustível é a camada externa das varetas de combustível, ficando entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (ou seja, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10-24 cm2), geralmente liga de zircônio. O revestimento de combustível normalmente tem um raio interno de rZr,2 = 0,408 cm e um raio externo de rZr,1 = 0,465 cm. Em comparação com o pellet de combustível, quase não há geração de calor no revestimento do combustível (o revestimento é ligeiramente aquecido pela radiação). Todo o calor gerado no combustível deve ser transferido por condução através do revestimento e, portanto, a superfície interna é mais quente que a externa.
Uma composição típica de ligas de zircônio de grau nuclear é mais de 95% em peso de zircônio e menos de 2% de estanho, nióbio, ferro, cromo, níquel e outros metais, que são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. A liga mais utilizada, até o momento, em PWRs, tem sido o Zircaloy 4, porém atualmente esta está sendo substituída por novas ligas à base de zircônio-nióbio, apresentando melhor resistência à corrosão. A temperatura máxima na qual as ligas de zircônio podem ser usadas em reatores refrigerados a água depende de sua resistência à corrosão. As ligas de zircônio mais comuns, Zircaloy-2 e Zircaloy-4, contêm os fortes estabilizadores α estanho e oxigênio, além dos estabilizadores β ferro, cromo e níquel. Ligas do tipo Zircalloy, nas quais o estanho é o elemento de liga básico que proporciona melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição no mundo. Porém, neste caso, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor que resultou na necessidade de ligas adicionais. A melhoria provocada pelo nióbio aditivo provavelmente envolve um mecanismo diferente. A alta resistência à corrosão de ligas metálicas de nióbio em água e vapor em temperaturas de 400–550°C é causada por sua capacidade de passivação com formação de filmes protetores.
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