Цирконий: свойства металла, сплавы и формы поставки

Цирконий (Zr) — переходный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Атомный номер 40, атомная масса 91,224. Содержание в земной коре составляет около 0,025%, что делает его более распространённым, чем медь или цинк. Однако цирконий рассеян в природе и не образует богатых руд, что объясняет его относительно высокую стоимость.

Металл обладает уникальным сочетанием свойств: высокая температура плавления (1855°C), отличная коррозионная стойкость, пластичность и — что критически важно для ядерной энергетики — малое сечение захвата тепловых нейтронов.

Минералы и сырьё для получения циркония

Основные промышленные минералы циркония:

• Циркон (ZrSiO₄) — силикат циркония, содержит 67,2% ZrO₂ и 32,8% SiO₂
• Бадделеит — природный диоксид циркония (ZrO₂), практически чистая двуокись
• Эвдиалит — комплексный силикат, содержит 11–14% ZrO₂
• Калдасит — смесь циркона и бадделеита

Методы получения металлического циркония

Для получения циркония из руд применяются различные методы:

• Фторидный метод — преимущественно используется в России и странах СНГ
• Хлоридный метод (метод Кролля) — распространён в западных странах
• Иодидный метод — для получения циркония высокой чистоты (иодидная основа)

Ключевая задача металлургического процесса — разделение циркония и гафния. Присутствие гафния значительно увеличивает сечение захвата тепловых нейтронов, что недопустимо для материалов ядерных реакторов. Для ядерной энергетики содержание гафния ограничивается до 0,01%.

Применение циркония в промышленности

Ядерная энергетика

Около 90% производимого циркония потребляется атомной отраслью. Из циркониевых сплавов изготавливают:

• оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов)
• технологические каналы реакторов РБМК
• дистанционирующие решётки
• крышки и корпуса топливных кассет

Выбор циркония обусловлен малым сечением захвата тепловых нейтронов (0,18 барн) при достаточной прочности и коррозионной стойкости в воде высоких параметров.

Другие области применения

Отечественные циркониевые сплавы для ядерной энергетики

В России разработаны и применяются несколько марок циркониевых сплавов, оптимизированных для реакторов ВВЭР и РБМК:

Сплав Э110 (Zr–1%Nb)

Основной конструкционный материал для оболочек ТВЭЛов реакторов ВВЭР. Согласно ТУ 95.166-83:

Сплав Э125 (Zr–2,5%Nb)

Применяется для технологических каналов реакторов РБМК и изделий повышенной прочности:

Сплав Э635 (Zr–Nb–Sn–Fe)

Многокомпонентный сплав с повышенной радиационной стойкостью и прочностью:

Зарубежные циркониевые сплавы

В западной металлургии наиболее распространены сплавы серии Zircaloy (циркалой):

• Zircaloy-2 — Zr–Sn–Fe–Cr–Ni, для реакторов BWR
• Zircaloy-4 — Zr–Sn–Fe–Cr (без никеля), для реакторов PWR

Формы поставки циркониевого проката

Мы поставляем циркониевый прокат в следующих формах:

• Прутки циркониевые — круглого и квадратного сечения
• Трубы циркониевые — бесшовные для оболочек ТВЭЛов и технологических каналов
• Листы циркониевые — для обшивки и корпусов
• Проволока циркониевая — для сварки и специальных применений
• Фольга — толщиной от 0,05 мм
• Слитки — для дальнейшей переработки
• Порошок циркониевый — для порошковой металлургии

Физические свойства циркония

Хранение и обращение с цирконием

Промышленный цирконий в заготовках устойчив на воздухе благодаря защитной оксидной плёнке. Однако мелкодисперсный циркониевый порошок пирофорен — способен к самовоспламенению на воздухе. Порошок и стружка требуют хранения под слоем воды или в инертной атмосфере.