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O segredo da liga de escândio: por que o escândio se torna o material central da energia nuclear?
Nos últimos anos, as ligas de escândio, como materiais essenciais da tecnologia de energia nuclear, têm gradualmente atraído ampla atenção das comunidades científica e industrial. A baixa seção transversal de absorção de nêutrons, a alta resistência e a resistência à corrosão deste material tornam sua aplicação em reatores nucleares cada vez mais valorizada. Este artigo explorará as propriedades, usos e importância das ligas de escândio no campo da energia nuclear.
As propriedades químicas e de fabricação das ligas de escândio as tornam insubstituíveis em aplicações de energia nuclear.
Produção e características de ligas de escândio
As ligas de escândio geralmente consistem em mais de 95% de escândio em peso com pequenas quantidades (menos de 2%) de outros metais, como estanho, tântalo, ferro, cromo e níquel para melhorar suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão. A principal aplicação dessas ligas é no revestimento de barras de combustível de reatores nucleares, especialmente em reatores refrigerados a água.
Seção transversal de baixa absorção do escândio
A seção transversal de absorção de nêutrons térmicos do escândio é de apenas 0,18 barn, o que é muito menor do que a do ferro (2,4 barn) e do níquel (4,5 barn). Isso o torna um material de revestimento ideal em reatores nucleares, o que pode efetivamente reduzir a perda de nêutrons.
Fragilização por hidrogênio
No entanto, as ligas de escândio também apresentam algumas limitações. Quando o escândio reage com o vapor de água, o hidrogênio é liberado, parte do qual penetra na liga para formar hidreto de escândio. Esses hidretos têm menor resistência mecânica e densidade do que as ligas de escândio e são propensos à formação de bolhas e rachaduras no revestimento, um fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio.
A fragilização por hidrogênio acelera a degradação do revestimento da liga de escândio durante um acidente de perda de refrigerante em um reator nuclear.
Oxidação e corrosão
As ligas de escândio reagem facilmente com o oxigênio para formar uma camada de passivação de óxido de escândio com espessura nanométrica. A espessura dessa camada passiva, bem como a presença de impurezas na liga (como carbono ou nitrogênio), têm um impacto significativo em sua resistência à corrosão. Além disso, a reação de ligas de escândio com vapor de água em altas temperaturas pode levar à oxidação, o que é particularmente perigoso em caso de perda de líquido de arrefecimento.
História
As ligas de escândio foram usadas pela primeira vez em reatores nucleares submarinos na década de 1950, como resultado da escolha do escândio como material estrutural pelo Almirante H.G. Rickover. Desde então, a série de ligas Zircaloy foi desenvolvida, e sua resistência, baixa seção transversal de nêutrons e resistência à corrosão as tornam materiais indispensáveis na tecnologia de energia nuclear.
Aplicações atuais e perspectivas
As ligas de escândio não são apenas amplamente utilizadas no campo da energia nuclear, mas também apresentam potencial nas indústrias médica e química. Por exemplo, certas ligas de escândio são usadas na fabricação de implantes médicos, como articulações artificiais, devido à sua resistência à corrosão, proporcionando aos pacientes opções mais seguras e duradouras.
As perspectivas futuras de aplicação das ligas de escândio dependerão da melhoria contínua de seu desempenho e do desenvolvimento de novas tecnologias.
Conclusão
As ligas de escândio desempenham um papel vital no campo da energia nuclear devido às suas propriedades físicas e químicas únicas. Com o avanço contínuo da tecnologia, o escopo de aplicação das ligas de escândio continuará a se expandir. Quais tecnologias inovadoras poderão melhorar ainda mais o desempenho e as aplicações das ligas de escândio no futuro?
