Zirkonium is zeer hitte- en corrosiebestendig

Wist je dat zirkonium zowel bijdraagt aan het in gang zetten als het reguleren van een kernreactie in een kernenergiecentrale? Laten we, voordat we dit toelichten, eerst de belangrijkste kenmerken van zirkonium uiteenzetten, een vergelijking maken met Titanium en enkele diverse toepassingen op een rij zetten.

Zirkonium: wat is dat?

Zirkonium, gesymboliseerd als Zr en met atoomnummer 40, is een overgangsmetaal dat wordt gewonnen uit het mineraal zirkoon. Hoewel de ontdekking van zirkonium teruggaat tot 1789, werd het pas in 1914 voor het eerst geïsoleerd in zijn zuivere vorm.

Hoewel zirkonium een van de meest voorkomende elementen in de aardkorst is, wordt het niet rechtstreeks uit de grond gewonnen. In plaats daarvan wordt zirkonium geïsoleerd uit het mineraal zirkoon, dat vaak als een bijproduct wordt verkregen bij de winning van titanium en tin. Tijdens het proces van het omzetten van zirkoon in metallisch zirkonium, ontstaat ook een kleine hoeveelheid hafnium. Zirkoon wordt voornamelijk aangetroffen in landen zoals Brazilië, Australië, Amerika, Rusland, Zuid-Afrika en India.

Zirkonium: eigenschappen

Zirkonium, het veelzijdige overgangsmetaal met zijn zilvergrijze glans, bezit diverse opmerkelijke eigenschappen. Het kenmerkt zich door zijn uitzonderlijke bestendigheid tegen corrosie en biedt ook een hoge mate van bio compatibiliteit. Daarnaast is zirkonium buigzaam en goed vormbaar, wat het zeer veelzijdig maakt. Het metaal behoudt zijn sterke eigenschappen, zelfs bij hoge temperaturen. Bovendien is het transparant voor neutronen, waardoor het nuttig is in diverse toepassingen.

Zirkonium in vergelijking met titanium

Zirkonium en titanium vertonen enkele gelijkaardige eigenschappen, wat niet verwonderlijk is, gezien het feit dat zirkonium vaak als bijproduct van titaniumwinning wordt verkregen. Maar wat zijn nu precies deze overeenkomsten en verschillen?

Overeenkomsten

Zowel zirkonium als titanium hebben een hoog smeltpunt en zijn zeer resistent tegen corrosie vanwege hun sterke, stabiele oxidehuid. In een vergelijking tussen zuiver zirkonium en zuiver titanium, blijkt zirkonium over het algemeen sterker te zijn, vooral wanneer we kijken naar situaties met hoge temperaturen en de aanwezigheid van krachtige chemische stoffen, waarbij de corrosiebestendigheid van zirkonium superieur is. Toch bestaan er Titaniumlegeringen, zoals bijvoorbeeld grade 5, die sterker zijn dan alle varianten van Zirkonium. Zowel Zirkonium als Titanium vertonen aanzienlijke sterkte, zijn relatief licht van gewicht en kunnen allebei effectief worden gelast. Bovendien zijn beide metalen niet schadelijk voor de gezondheid. Ook zijn beide metalen biocompatibel met het menselijk lichaam, waardoor ze geschikt zijn voor medische toepassingen, zoals in de vervaardiging van chirurgische instrumenten en tandheelkunde.

Verschillen

In structuur, toepassing en investering verschillen de metalen het meest. Het verschil in structuur is dat Zirkonium een hexagonale structuur heeft en Titanium een kristal structuur. Dit vraagt om andere verwerkingstechnieken. Titanium en zirkonium vinden hun toepassing in diverse markten voor verschillende doeleinden. Zirkonium wordt frequent ingezet in zeer chemische processen en in nucleaire energie. Titanium daarentegen wordt gebruikt in de medische protheses, maritieme toepassingen en in de lucht- en ruimtevaart. Als titanium voldoet aan de technische vereisten, wordt het vaak gekozen boven zirkonium vanwege de kostenefficiëntie.

Zirkonium: toepassing

Zirkonium, met zijn unieke eigenschappen, is uitermate geschikt voor diverse toepassingen in verschillende markten. Een aanzienlijk deel, ongeveer 90 procent van de Zirkoniumproductie, wordt geschat voor gebruik in kernreactortechnologie. Bovendien wordt zirkonium toegepast in de luchtvaart, in medische hulpmiddelen, in de chemische industrie, de militaire industrie en voor waterstofopslag.

Zirkonium in kernreactoren: Zircaloy

Zirkonium speelt een essentiële rol in de opwekking van kernenergie vanwege twee opvallende eigenschappen die het metaal bijzonder geschikt maken voor gebruik in kernreactoren. Als eerst is Zirkonium extreem hittebestendig. Ook absorbeert het nauwelijks neutronen en vertoont dit metaal aanzienlijke corrosiebestendigheid tot temperaturen van wel 750°C.

Het opwekken van kernenergie is een proces waarbij zowel hitte als neutronen van essentieel belang zijn. Zirkonium kan goed omgaan met beide aspecten, aangezien het een smeltpunt heeft van 1855 °C en slechts weinig neutronen absorbeert. De vrije beweging van neutronen is cruciaal bij het splijten van uraniumatomen. Dit komt doordat het metaal zo weinig neutronen absorbeert. De neutronen kunnen daardoor goed bewegen. Dit resulteert in dat er efficiënt kernenergie opgewekt kan worden.

Bovendien speelt zirkonium een essentiële rol bij het veilig stoppen van de kernreactie. Splijtstofstaven worden geactiveerd die neutronen absorberen om de kernreacties te beëindigen. Deze staven worden gekoeld met koelwater. De metalen staven die een warm metaaloppervlak bevatten mogen niet reageren met het koelwater, aangezien dit anders kan leiden tot de vorming van zeer explosief waterstofgas. Dit is de reden waarom de staven voorzien zijn van Zircaloy mantel. Zircaloy is een legering die beschikbaar is in verschillende samenstellingen. Minstens 90% (95% voor toepassingen in kernenergie) bestaat uit Zirkonium. Daarnaast bestaat de legering uit een kleine hoeveelheid nikkel, niobium, chroom, tin en ijzer.

Zirkonium: chemische processen

Ook wordt Zirkonium in chemische processen toegepast, zowel in de productie van pigmenten en katalyseren als in de bescherming van pijpleidingen, apparatuur en opslagtanks. De verschillende legeringen en Zirkonium bieden de corrosie- en hittebestendigheid die essentieel is voor efficiënte en veilige processen waarbij basen, zuren, andere bijtende stoffen en/of hoge temperaturen worden gebruikt.

 

Bron van het artikel