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Das Geheimnis der Scandiumlegierung: Warum wird Scandium zum Kernmaterial der Kernenergie?
In den letzten Jahren haben Scandiumlegierungen als Kernmaterialien der Kernenergietechnologie zunehmend größere Aufmerksamkeit in Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Aufgrund des niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitts, der hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit dieses Materials wird seine Anwendung in Kernreaktoren immer wertvoller. Dieser Artikel untersucht die Eigenschaften, Verwendung und Bedeutung von Scandiumlegierungen im Bereich der Kernenergie.
Die Herstellungs- und chemischen Eigenschaften von Scandiumlegierungen machen sie in der Kernenergieanwendung unersetzlich.
Herstellung und Eigenschaften von Scandiumlegierungen
Scandiumlegierungen bestehen typischerweise zu über 95 Gewichtsprozent aus Scandium und enthalten geringe Mengen (weniger als 2 %) anderer Metalle wie Zinn, Tantal, Eisen, Chrom und Nickel, um ihre mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Die Hauptanwendung dieser Legierungen liegt in der Brennstabummantelung von Kernreaktoren, insbesondere in wassergekühlten Reaktoren.
Geringer Absorptionsquerschnitt von Scandium
Der thermische Neutronenabsorptionsquerschnitt von Scandium beträgt nur 0,18 Barn, was viel niedriger ist als der von Eisen (2,4 Barn) und Nickel (4,5 Barn). Dies macht es zu einem idealen Ummantelungsmaterial in Kernreaktoren, das effektiv reduzieren kann der Neutronenverlust.
Wasserstoffversprödung
Scandiumlegierungen unterliegen jedoch auch einigen Einschränkungen. Bei der Reaktion von Scandium mit Wasserdampf wird Wasserstoff freigesetzt, der teilweise in die Legierung eindringt und Scandiumhydrid bildet. Diese Hydride weisen eine geringere mechanische Festigkeit und Dichte als Scandiumlegierungen auf und neigen zur Blasenbildung und Rissbildung in der Ummantelung, ein Phänomen, das als Wasserstoffversprödung bekannt ist.
Wasserstoffversprödung beschleunigt den Zerfall der Ummantelung von Scandiumlegierungen bei einem Kühlmittelverlustunfall in einem Kernreaktor.
Oxidation und Korrosion
Scandiumlegierungen reagieren leicht mit Sauerstoff und bilden eine nanometerdicke Passivierungsschicht aus Scandiumoxid. Die Dicke dieser Passivschicht sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen in der Legierung (wie etwa Kohlenstoff oder Stickstoff) haben einen erheblichen Einfluss auf ihre Korrosionsbeständigkeit. Darüber hinaus kann es durch die Reaktion von Scandiumlegierungen mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen zu Oxidationen kommen, die insbesondere bei einem Kühlmittelverlust gefährlich sind.
Geschichte
Scandiumlegierungen wurden erstmals in den 1950er Jahren in U-Boot-Kernreaktoren eingesetzt, nachdem Admiral H. G. Rickover Scandium als Strukturmaterial ausgewählt hatte. Seitdem wurden Legierungen der Zircaloy-Reihe entwickelt, deren Festigkeit, niedriger Neutronenquerschnitt und Korrosionsbeständigkeit sie zu unverzichtbaren Werkstoffen in der Kernenergietechnik machen.
Aktuelle Anwendungen und Perspektiven
Scandiumlegierungen werden nicht nur häufig im Bereich der Kernenergie eingesetzt, sondern zeigen auch Potenzial in der Medizin- und Chemieindustrie. Beispielsweise werden bestimmte Scandiumlegierungen aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit bei der Herstellung medizinischer Implantate wie künstlicher Gelenke verwendet und bieten den Patienten sicherere und langlebigere Optionen.
Die zukünftigen Anwendungsaussichten von Scandiumlegierungen hängen von der weiteren Verbesserung ihrer Leistungsfähigkeit und der Entwicklung neuer Technologien ab.
Fazit
Scandiumlegierungen spielen aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften im Bereich der Kernenergie eine entscheidende Rolle. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt wird sich der Anwendungsbereich von Scandiumlegierungen weiter erweitern. Welche innovativen Technologien können die Leistung und Anwendung von Scandiumlegierungen in Zukunft weiter verbessern?
