Kad bi vam rekli da mineral koji se može polirati u blistavi dragi kamen također služi kao neopjevani heroj koji osigurava siguran rad nuklearnih elektrana, bi li vam bilo teško povjerovati? Cirkonij, element broj . 40 u periodičnom sustavu, upravo je takav "igrač s-dvostrukom ulogom" koji se nalazi u svjetovima brojača nakita i nuklearnih reaktora.
Od "kamena zumbula" do kemijskog elementa
Priča o cirkoniju počinje s prekrasnim kamenom. Prirodni silikatni mineral koji sadrži cirkonij naziva se cirkon, koji je od davnina cijenjen kao polu{1}}dragi kamen. Prikazuje bogatu paletu boja u rasponu od narančasto-crvene i zlatno-žute do bezbojne i smeđe-zelene, a posebno je vađen na otoku Šri Lanka u drevnom Indijskom oceanu. Rečeno je da riječ "cirkon" potječe od perzijskog "Zargun", što znači "zlatan" - što se odnosi na blistav sjaj određenog dragog kamenja cirkona. Bezbojni cirkon, kada se izreže, može blistati sjajem koji podsjeća na dijamante, a dugo je čak pogrešno smatran vrstom "mekog dijamanta".
Tek 1789. godine cirkon je uzdignut od dragog kamena do elementa, zahvaljujući eksperimentu njemačkog kemičara Martina Heinricha Klaprotha. Spajajući cirkon s natrijevim hidroksidom i tretirajući ga klorovodičnom kiselinom, konačno je otkrio prethodno nepoznati oksid, koji je nazvao "cirkonij". Kasnije, 1824. godine, švedski kemičar Jöns Jacob Berzelius prvi je proizveo metalni cirkonij, ali tek je 1925. godine istinski dobiven čisti, duktilni metalni cirkonij.
Srebrno-siva "Sve-okrugla"
Čisti metalni cirkonij je sjajna srebrno-siva kruta tvar koja izgledom podsjeća na čelik. Njegovo talište je čak 1855 stupnjeva, a vrelište doseže 4409 stupnjeva - što znači da na temperaturama na kojima se većina metala odavno rastali, cirkonij ostaje nepopustljiv.
Cirkonij se može pohvaliti s tri izvanredna talenta:
Prvo, njegova "nepovrediva" otpornost na koroziju. Cirkonij je iznimno otporan na većinu kiselina, lužina i morske vode, a obične vodene otopine kiselina i lužina jedva ga mogu nagrizati. Ovo svojstvo ga čini idealnim materijalom za kemijsku opremu - reaktore, pumpe-otporne na kiselinu, cijevi izmjenjivača topline, ventile - gdje god je potrebna otpornost na koroziju, cirkonij se često nalazi.
Drugo, njegova "prilagodljiva" sposobnost{0}}upijanja plinova. Kada se zagrijava, cirkonij može apsorbirati velike količine kisika, vodika, dušika i drugih plinova. Samo 100 grama metalnog cirkonija može apsorbirati 817 litara vodika na 200 stupnjeva. Ovo se svojstvo pametno koristi u industriji električnog vakuuma - cirkonij je obložen na anodama elektronskih cijevi kako bi apsorbirao zaostale plinove, proizvodeći visoko-vakuumske cijevi.
Treće, njegov "Midas dodir" u legiranju. Cirkonij je hvaljen kao "vitamin" metalurške industrije - dodavanje samo male količine može značajno poboljšati svojstva materijala. Dodavanje jedne-tisućitog dijela cirkonija čeliku uvelike povećava njegovu snagu i tvrdoću, čineći oklopni čelik- koji sadrži cirkonij važnim materijalom za proizvodnju tenkova i ploča otpornih na metke. Dodavanje malo cirkonija bakru može povisiti njegovu točku taljenja bez ugrožavanja električne vodljivosti, što ga čini vrlo prikladnim za-naponske dalekovode.
"Metal broj jedan" nuklearnog doba
Ako su gore navedeni samo "sporedne stvari" cirkonija, onda je njegova "glavna okupacija"足以 transformativna za krajolik ljudske energije.
Ono što cirkonijeve legure čini središnjim strukturnim materijalom nuklearnih reaktora je naizgled paradoksalna, ali presudna karakteristika - ekstremno nizak presjek apsorpcije termalnih neutrona-. Jednostavno rečeno, neutroni proizvedeni nuklearnom fisijom su "iskre" koje održavaju lančanu reakciju, ali većina metala upija neutrone poput spužve koja upija vodu, prekidajući tako reakciju. Međutim, cirkonij je iznimka - on apsorbira vrlo malo neutrona, dok istovremeno podnosi koroziju uzrokovanu visokom-temperaturom, visokim-tlakom vode na 300–400 stupnjeva i održava dobru kompatibilnost s nuklearnim gorivom.
Upravo ta kombinacija prednosti omogućuje proizvodnju cirkonijevih legura u dugačke cijevi s tankim-stjenkama, u kojima se nalaze kuglice goriva od uranovog dioksida i koje služe kao prva sigurnosna barijera nuklearnog reaktora. Procjenjuje se da se čak 90% globalno proizvedenog cirkonija koristi u sektoru nuklearne energije. Od nuklearnih podmornica do reaktora "Hualong One", cijevi za obloge od legure cirkonija ostaju neizostavan "oklop za nuklearno gorivo".
