Les alliages de zirconium sont des solutions solides de zirconium ou d'autres métaux, un sous-groupe commun ayant pour marque déposée Zircaloy. Le zirconium a une très faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques, une dureté élevée, une ductilité et une résistance à la corrosion.
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Avantages des alliages de zirconium
Point de fusion élevé :L'alliage de zirconium a un point de fusion élevé, qui peut être utilisé pour le traitement et l'application dans un environnement à haute température.
Résistance à la corrosion:Les alliages de zirconium ont une excellente résistance à la corrosion et peuvent être utilisés pendant longtemps dans des environnements difficiles tels que les acides forts, les alcalis forts, les températures élevées et les hautes pressions, ils sont donc largement utilisés dans les domaines de l'industrie chimique, de la marine et de l'industrie nucléaire.
Bonne biocompatibilité :L'alliage de zirconium ne provoque pas de rejet lorsqu'il entre en contact avec les tissus biologiques et peut être utilisé dans la fabrication de dispositifs médicaux, d'articulations artificielles et d'autres matériaux médicaux, avec une bonne biocompatibilité.
Bonnes propriétés mécaniques :L'alliage de zirconium présente d'excellentes propriétés mécaniques, notamment une résistance élevée, une dureté élevée, une ténacité élevée et une résistance élevée à l'usure, etc., qui peuvent être utilisées pour fabriquer des pièces et des outils mécaniques de haute qualité.
Section efficace d'absorption des neutrons thermiques faible :L'alliage de zirconium présente une section efficace d'absorption des neutrons thermiques très faible, ce qui peut être utilisé comme matériaux de structure de cœur pour les réacteurs nucléaires, tels que les gaines de combustible, les tubes de force, les stents et les tubes à orifice.
À quoi sert l'alliage de zirconium ? Nucléaire et plus
Le numéro atomique du zirconium est 40, avec le symbole de l'élément Zr. L'élément zirconium a l'apparence d'un métal argenté et sa densité est de 6,52 g/cm3. Le Zr a une très petite section efficace d'adsorption de neutrons et un point de fusion relativement élevé (1855 degrés ou 3371 degrés F), ce qui fait du zirconium un excellent matériau pour les barres d'énergie nucléaire. Dans les années 1990, environ 90 % du zirconium produit chaque année était consommé par l'industrie nucléaire. Cependant, à mesure que de plus en plus de personnes se familiarisent avec le Zr et ses composés, de nouvelles applications ont été trouvées.
Le dioxyde de zirconium, ou zircone, est un composé de zirconium très important. Le ZrO2 peut être utilisé comme matière première pour les céramiques techniques, qui présentent une grande dureté et une grande résistance à l'usure. La zircone peut également se présenter sous forme de cristal transparent et est extrêmement dure, comme le diamant. Ainsi, des éléments en zirconium peuvent également être trouvés dans les bijoux, tels que les bagues et les couronnes en zirconium, etc.
Le zirconium métallique et les alliages de zirconium présentent des avantages dans des environnements chimiques spécialisés, principalement les acides acétique et chlorhydrique. La résistance à la corrosion du zirconium provient d'un oxyde étroitement adhérent qui se forme presque instantanément. Par conséquent, le zirconium a été utilisé pour fabriquer des composants d'électrodes, des boulons de bride, des tubes et des tiges pour des applications spéciales. Les produits en zirconium ont également de nombreuses applications dans les équipements médicaux, tels que les implants en zirconium.
Les matériaux à base de zirconium ont également des propriétés particulières. Le zirconium a été utilisé pour fabriquer des matériaux supraconducteurs à haute température et les barres de cristal de Zr sont souvent utilisées comme matière première. Les alliages de zirconium sont également considérés comme des matériaux prometteurs pour le métal amorphe commercial, également appelé verre métallique. Par rapport aux matériaux métalliques courants, le métal amorphe n'a pas de joints de grains, ce qui conduit à une meilleure résistance à l'usure et à une meilleure dureté. De plus, les métaux amorphes n'ont pas de corrosion des joints de grains et peuvent être formés à chaud. Pour obtenir l'état amorphe, les alliages fondus doivent être refroidis rapidement. Habituellement, la vitesse doit être de plusieurs millions de K/s, les alliages à base de Zr récemment développés pourraient atteindre environ 1 K/s.
La demande de zirconium devrait augmenter dans les années à venir en raison de la demande de centrales nucléaires dans le monde entier. Cependant, seules quelques grandes entreprises possèdent la technologie nécessaire pour fabriquer des matériaux à base de zirconium de niveau nucléaire, et les investissements considérables freinent l'entrée de nouveaux acteurs. Bien que l'industrie nucléaire consomme encore une grande partie du zirconium produit chaque année, des applications dans d'autres domaines, comme la céramique, ont été rapidement développées au cours des dernières décennies.
Le zirconium pur est un métal de transition solide, gris-blanc brillant, qui ressemble dans une moindre mesure au hafnium et au titane. Le zirconium est principalement utilisé comme réfractaire et opacifiant, bien que de petites quantités soient utilisées comme agent d'alliage pour sa forte résistance à la corrosion. Le zirconium et ses alliages sont largement utilisés comme revêtement pour les combustibles des réacteurs nucléaires. Le zirconium allié au niobium ou à l'étain présente d'excellentes propriétés anticorrosion.
La résistance élevée à la corrosion des alliages de zirconium résulte de la formation naturelle d'un oxyde dense et stable à la surface du métal. Ce film est auto-réparateur. Il se développe lentement à des températures allant jusqu'à environ 550 degrés (1020 degrés F) et reste étroitement adhérent. La propriété recherchée de ces alliages est également une faible section efficace de capture de neutrons. Les inconvénients du zirconium sont une faible résistance mécanique et une faible résistance à la chaleur, qui peuvent être éliminées, par exemple, par un alliage avec du niobium.
Alliages de zirconium et de niobium. Les alliages de zirconium et de niobium sont utilisés comme revêtements des éléments combustibles des réacteurs VVER et RBMK. Ces alliages constituent le matériau de base du canal d'assemblage du réacteur RBMK. L'alliage Zr + 1% Nb de type N-1 E-110 est utilisé pour les revêtements des éléments combustibles et l'alliage Zr + 2,5% Nb de type E-125 est utilisé pour les tubes des canaux d'assemblage.
Alliages de zirconium et d'étain. Les alliages de zirconium, dont l'étain est l'élément d'alliage de base, améliorent leurs propriétés mécaniques et sont largement répandus aux États-Unis. Un sous-groupe courant a pour marque déposée Zircaloy. Dans le cas des alliages de zirconium et d'étain, la résistance à la corrosion dans l'eau et la vapeur est réduite, ce qui nécessite un alliage supplémentaire.
Le matériau de revêtement des nouveaux modèles de combustible 17×17 est également basé sur les alliages de zirconium-niobium (par exemple, le matériau ZIRLO optimisé), dont il a été démontré qu'ils présentaient une meilleure résistance à la corrosion que les matériaux de revêtement de combustible antérieurs. Le niveau d'étain optimisé permet de réduire le taux de corrosion tout en conservant les avantages de la résistance mécanique et de la résistance à la corrosion accélérée due à des conditions chimiques anormales.
Coûts du zirconium
En termes de coût, ces alliages sont souvent les matériaux de choix pour les échangeurs de chaleur et les systèmes de tuyauterie des industries de traitement chimique et nucléaire. Le zirconium est un sous-produit de l'extraction et du traitement des minéraux de titane et de l'extraction d'étain. De 2003 à 2007, alors que les prix du minerai de zircon ont régulièrement augmenté de 360 à 840 dollars la tonne, le prix du métal zirconium brut a diminué de 39 900 à 22 700 dollars la tonne. Le métal zirconium est beaucoup plus cher que le zircon car les processus de réduction sont coûteux. Tous les coûts varient considérablement en fonction d'une certaine pureté.
Production de zirconium
La production de zirconium métallique nécessite des techniques spéciales en raison des propriétés chimiques particulières du zirconium. La majeure partie du métal Zr est produite à partir de zircon (ZrSiO4) par réduction du chlorure de zirconium avec du magnésium métallique dans le procédé Kroll. La caractéristique principale du procédé Kroll est la réduction du chlorure de zirconium en zirconium métallique par le magnésium. Le zirconium commercial de qualité non nucléaire contient généralement 1 à 5 % d'hafnium, dont la section efficace d'absorption des neutrons est 600x celle du zirconium. L'hafnium doit être presque entièrement éliminé (réduit à < 0,02 % de l'alliage) pour les applications en réacteur.
Alliages de zirconium dans l'industrie nucléaire
La gaine de combustible a généralement un rayon intérieur de rZr,2=0.408 cm et un rayon extérieur de rZr,1=0.465 cm.
La gaine du combustible est la couche extérieure des crayons de combustible, située entre le liquide de refroidissement du réacteur et le combustible nucléaire (c'est-à-dire les pastilles de combustible). Elle est constituée d'un matériau résistant à la corrosion avec une faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10–24 cm2), généralement un alliage de zirconium. La gaine du combustible a généralement un rayon intérieur de rZr,2=0,408 cm et un rayon extérieur de rZr,1=0,465 cm. Par rapport à la pastille de combustible, il n'y a presque pas de génération de chaleur dans la gaine du combustible (la gaine est légèrement chauffée par rayonnement). Toute la chaleur générée dans le combustible doit être transférée par conduction à travers la gaine ; par conséquent, la surface intérieure est plus chaude que la surface extérieure.
Les alliages de zirconium de qualité nucléaire contiennent généralement plus de 95 % de zirconium et moins de 2 % d'étain, de niobium, de fer, de chrome, de nickel et d'autres métaux, qui sont ajoutés pour améliorer les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion. Jusqu'à présent, l'alliage le plus couramment utilisé dans les REP était le Zircaloy 4. Cependant, il est actuellement remplacé par de nouveaux alliages à base de zirconium et de niobium, qui présentent une meilleure résistance à la corrosion. La température maximale à laquelle les alliages de zirconium peuvent être utilisés dans les réacteurs refroidis par eau dépend de leur résistance à la corrosion. Les alliages de zirconium les plus courants, le Zircaloy-2 et le Zircaloy-4, contiennent de puissants stabilisateurs, l'étain et l'oxygène, ainsi que des stabilisateurs comme le fer, le chrome et le nickel.
Les alliages de type Zircalloy, dans lesquels l'étain est l'élément d'alliage de base qui améliore leurs propriétés mécaniques, sont largement répandus dans le monde entier. Cependant, dans ce cas, la résistance à la corrosion dans l'eau et la vapeur diminue, ce qui nécessite un alliage supplémentaire. L'amélioration apportée par l'ajout de niobium implique probablement un mécanisme différent. La résistance élevée à la corrosion des métaux alliés au niobium dans l'eau et la vapeur à des températures de 400 à 550 degrés est due à leur capacité de passivation avec formation de films protecteurs.
Oxydation des alliages de zirconium
L’oxydation des alliages de zirconium est l’un des processus les plus étudiés dans l’industrie nucléaire. La réaction d’oxydation du zirconium avec l’eau libère de l’hydrogène gazeux, qui se diffuse partiellement dans l’alliage et forme des hydrures de zirconium. Les hydrures sont moins denses et mécaniquement plus fragiles que l’alliage ; leur formation entraîne des cloques et des fissures dans le revêtement, phénomène connu sous le nom de fragilisation par l’hydrogène. Si bon nombre de ces rapports sont rédigés pour traiter de la réaction du combustible et de la vapeur avec les alliages de zirconium en cas d’accident nucléaire, il existe encore un nombre important de rapports traitant de l’oxydation des alliages de zirconium à des températures modérées d’environ 800 K et moins.
Potentiel futur et développement de l'alliage de zirconium
Alors que les industries du zirconium et des alliages de zirconium repoussent les limites, l'alliage de zirconium apparaît comme un acteur clé dans la définition de l'avenir des applications industrielles. Avec leur résistance exceptionnelle à la corrosion et leur stabilité à haute température, les alliages de zirconium ouvrent la voie à des innovations révolutionnaires dans divers secteurs.
Les efforts de recherche et de développement en cours dans le domaine de la technologie des alliages de zirconium alimentent les avancées dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'énergie nucléaire et de la transformation chimique. Les ingénieurs explorent de nouvelles façons d'améliorer la résistance et la durabilité des alliages de zirconium, ouvrant ainsi la voie à des applications encore plus diverses.
Outre ses propriétés mécaniques, l'alliage de zirconium est également un matériau intéressant pour les implants et dispositifs médicaux grâce à sa biocompatibilité. Le potentiel de croissance dans ce domaine est prometteur, car les chercheurs s'efforcent d'optimiser les alliages de zirconium à des fins biomédicales.
Avec des améliorations et des découvertes continues à l’horizon, l’avenir de l’alliage de zirconium s’annonce prometteur car il continue de révolutionner les processus industriels et de faire avancer l’innovation.
L'utilisation de produits en alliage de zirconium dans les applications industrielles offre une multitude d'avantages qui en font un matériau très recherché pour diverses industries. Grâce à leur résistance exceptionnelle à la corrosion, à leur résistance aux températures élevées et à leur biocompatibilité, les alliages de zirconium sont sur le point de jouer un rôle de plus en plus important dans l'avenir de la fabrication et de la technologie industrielles.
Les progrès continus dans le développement et l'application des produits en alliage de zirconium nous permettent d'anticiper des innovations et des progrès encore plus importants dans des secteurs allant de l'aérospatiale et de la santé à la production d'énergie nucléaire. La polyvalence et la fiabilité des alliages de zirconium en font un atout précieux pour repousser les limites du possible dans les processus industriels.
En exploitant les propriétés uniques des alliages de zirconium, les fabricants peuvent améliorer les performances, accroître l'efficacité, réduire les coûts de maintenance et, en fin de compte, assurer leur réussite dans leurs domaines respectifs. À l'avenir, il est clair que les produits en alliage de zirconium continueront d'être à l'avant-garde des applications industrielles de pointe dans le monde entier.
Alliages de zirconium pour répondre aux exigences des matériaux en fusion
Matériaux et conception des réacteurs de fusion
La fusion nucléaire a fait l'objet de nombreuses recherches ces dernières années en raison de sa capacité à créer une énergie propre sans prolifération de sous-produits radioactifs. Dans la fusion, deux éléments sont fusionnés pour libérer de l'énergie. Actuellement, le meilleur candidat pour la fusion est une réaction deutérium-tritium. Le deutérium et le tritium sont deux isotopes de l'hydrogène qui, une fois fusionnés, créent de l'hélium, des neutrons libres et de l'énergie. Actuellement, les modèles de réacteurs à fusion en cours d'évaluation sont DEMO, STEP et ITER.
Dans un réacteur à fusion, les défis liés à l'efficacité des neutrons sont différents de ceux des réactions de fission. Le tritium doit être constamment renouvelé pour maintenir l'efficacité à long terme de la réaction de fusion. Pour ce faire, le tritium est généré par diffusion inélastique des neutrons. Comme les réactions se produisent à des températures élevées et sont sujettes au fluage thermique, des matériaux capables de bien fonctionner à des températures élevées tout en conservant une faible section efficace de neutrons thermiques sont nécessaires.
La sélection de matériaux aux propriétés structurelles et thermiques supérieures est essentielle pour la conception sûre et optimale des composants du réacteur à fusion. Un élément clé de la conception d'un réacteur à fusion est la couverture surgénérateur, qui protège les instruments du réacteur des radiations. Les couvertures surgénérateurs sont composées d'un ensemble de modules qui recouvrent l'intérieur de la cuve du réacteur à fusion et doivent résister à des températures extrêmes et à des flux de neutrons intenses. De plus, elles garantissent une efficacité maximale du réacteur.
Les matériaux qui ont été étudiés comme candidats pour la conception de couvertures surgénérateurs comprennent les alliages et composites à base de vanadium, de fer, de silicium et de chrome. Des études récentes ont démontré que le zirconium (Zr) est un candidat avantageux s'il est utilisé comme matériau structurel dans la première paroi d'une couverture surgénérateur dans un réacteur de type DEMO.
Avantages du zirconium
Le zirconium est utilisé comme matériau dans les réacteurs à fission depuis environ six décennies. Aujourd'hui, de nombreux alliages de zirconium sont utilisés comme gaines et assemblages de combustible dans les réacteurs à fission à eau légère. Les alliages les plus courants sont le Zr-2.5, le ZIRLOTM et le Zircaloy-2 et –4. Le succès de ces alliages est en grande partie dû à la faible section transversale de leur absorption des neutrons thermiques, par rapport à d'autres éléments de matériaux structurels.
L'avantage d'une faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques est qu'elle permet une plus grande disponibilité des neutrons, ce qui maintient la criticité de la réaction de fission. D'autres matériaux nécessitent un enrichissement supplémentaire, ce qui peut être coûteux financièrement. Cependant, comme les réactions de fusion se produisent à des températures élevées et qu'un fluage thermique inhérent se produit pendant le fonctionnement, les alliages de zirconium actuels ne sont pas suffisants.
Étude des alliages de zirconium actuels et résolution des problèmes
Dans l'étude publiée dans le Journal of Nuclear Materials, les auteurs ont étudié plusieurs alliages de zirconium actuellement disponibles dans le commerce, notamment des alliages binaires tels que les alliages Zr-V et Zr-Si, ainsi que des alliages d'ordre supérieur tels que Zr-Nb-Ti et Zr-Mo-Sn. Il a été conclu qu'avec des recherches plus poussées, les alliages d'ordre supérieur pourraient présenter des propriétés thermiques et structurelles avantageuses (telles que la résistance et la ductilité) tout en conservant une faible section efficace de neutrons thermiques.
Cependant, il n'existe actuellement que des données incomplètes sur les performances de ces alliages aux températures élevées qui se produisent pendant le fonctionnement. Dans un réacteur à fusion, les températures pourraient facilement atteindre 500-700 oC. Tout matériau de structure composé d'alliages de zirconium devrait présenter des propriétés thermiques et mécaniques supérieures lorsqu'il est utilisé dans des couvertures de métal liquide ou de surgénérateur refroidies à l'hélium.
Après avoir étudié les alliages de zirconium actuellement disponibles, les auteurs ont conclu que l'utilisation de Zr-4 comme matériau structurel de couverture surgénérateur améliorerait considérablement le taux de surgénération du tritium. Bien que ce soit nettement meilleur que d'autres candidats tels que V-4Cr-4Ti, des problèmes subsistent en termes de résistance, de résistance au fluage thermique et de propriétés de fatigue à des températures élevées. De plus, les impuretés peuvent provoquer des problèmes de fragilisation, ce qui facilite la nécessité de revêtements barrières.
Notre usine
Située à Baoji, dans la province du Shaanxi, connue sous le nom de la vallée du titane en Chine, Baoji West Titanium Materials Co., Ltd (West-Ti) a été créée en 2019 avec un capital social de 60 millions de yuans. La société a fusionné avec Baoji Hongyuan Titanium Industry Co., Ltd. et Baoji Overflow Industrial Co., Ltd, les deux sociétés ayant plus de 20 ans d'expérience dans l'industrie du titane. En 2019, l'activité conjointe de Baoji West Titanium Materials Co., Ltd couvre le traitement et la vente de métaux rares tels que les bobines, plaques, barres, fils et pièces forgées en titane.
FAQ
En tant que l'un des fabricants et fournisseurs d'alliages de zirconium les plus professionnels en Chine, nous nous distinguons par des produits de qualité et des prix compétitifs. N'hésitez pas à acheter des alliages de zirconium à vendre ici et à obtenir un devis de notre usine. Contactez-nous pour un service personnalisé.
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