Металлы и сплавы атомной энергетики цирконий

Обновлено: 15.05.2024

(Zr) - химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 40, атомная масса 91,22. Блестящий серебристо-серый тугоплавкий металл. Имеет плотность 6,506 г/см 3 , температуру плавления t_пл. = 1852 °С, температуру кипения t_кип. = 4377 °С. Устойчив к коррозии, обладает высокой пластичностью.

В минералах Zr всегда присутствует совместно с гафнием (Hf). Основные соединения - циркон (ZrSiO₄), бадделеит (ZrO₂).

История открытия

Немецкий химик М.Г. Клапрот в 1789 году впервые выделил диоксид циркония из минерала циркон. В свободном же виде данный металл был получен в 1824 году шведским химиком Берцелиусом. Спустя еще 100 лет в 1925 году А. ван Аркель смог получить чистый Zr.

Свойства циркония

Физические свойства

Свойство	Значение
Атомный номер	40
Атомная масса, а.е.м	91,22
Радиус атома, пм	160
Плотность, г/см³	6,51
Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль)	25,3
Теплопроводность, Вт/(м·K)	22,7
Температура плавления, °С	1852
Температура кипения, °С	4377
Теплота плавления, кДж/моль	19,2
Теплота испарения, кДж/моль	567
Молярный объем, см³/моль	10,8
Группа металлов	Тугоплавкий металл

Химические свойства

Свойство	Значение
Ковалентный радиус, пм	145
Радиус иона, пм	(+4e) 79
Электроотрицательность (по Полингу)	1,33
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, +1, +2, +3, +4

Марки циркония и сплавов

Достоинства / недостатки

Достоинства

имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов;
химически стоек во многих агрессивных средах;
имеет высокую температуру плавления;
нейтрален к биологическим тканям и жидкостям;
обладает хорошими технологическими и механическими свойствами - хорошая пластичность, прочность.

Недостатки

высокая стоимость.

Области применения циркония

ядерная энергетика;
металлургия;
медицина;
пиротехника;
легкая промышленность.

В металлургии Zr служит легирующим элементом сталей, являясь хорошим раскислителем и деазотатором (уменьшает количество азота (N) в стали). Его применение позволяет улучшить механические свойства и обрабатываемость сталей, а также повысить жаростойкость.

Стойкость циркония к воздействию биологических сред, а также его биосовместимость позволяют использовать данный металл и в медицине. Из него изготавливают костные, суставные, зубные протезы; хирургический инструмент.

Также стоит отметить применение Zr в сверхпроводниках. Он входит в состав сверхпроводящего сплава (ниобий - 75%, цирконий - 25%).

Более полное описание областей применения Zr представлено в статье Обзор областей применения циркония.

Продукция из циркония

Современное промышленное производство предлагает практически полный спектр стандартных заготовок, активно используемых в различных областях. Из круглого проката можно выделить циркониевый пруток, проволоку и трубу. Плоский прокат представляет циркониевая фольга и лента, листы, полосы, плиты. К исходному сырью можно отнести слитки, которые занимают основополагающее место в цепочке производства изделий из данного металла.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Циркониевые сплавы: состав, свойства, применение

Использование циркониевого сплава в настоящее время довольно широко распространено в медицине и атомной энергетике. В других отраслях этот материал также используется, но с меньшей долей. Стоит отметить, что популярность приобрели именно различные сплавы из этого сырья. Сам по себе цирконий не стал популярным материалом, так как его качества намного хуже, чем непосредственно у сплава из этого же металла.

Общие сведения

Цирконий (Zr) - это элемент таблицы Менделеева, атомный номер которого равен 40, а его атомный вес составляет 91,22. При нормальном состоянии и в нормальных условиях, данный материал представляет собой блестящий металл с серебристо-белым оттенком. Плотность такого сырья достигает 6,45 г/см 3 . Данный металл в чистом виде, не содержащий никаких примесей, отличается тем, что у него очень высокая пластичность, и он очень легко поддается обработке как холодной, так и горячей. Тут стоит отметить, что это сырье, как и титан, к примеру, резко потеряет свои механические свойства, если его соединить с примесями неметаллических веществ. Худшим соединением считается цирконий и кислород.

Свойства материала и сплава

Сам по себе цирконий выделяется тем, что у него довольно высокая устойчивость к различным кислотам. Данное сырье не растворяется в такой среде, как азотная и соляная кислота или щелочи. Эта характеристика является ключевой. На ее основе создается множество циркониевых сплавов. К примеру, если взять многокомпонентные сплавы магния и добавить к ним такой элемент, как цирконий, то материал станет намного устойчивее к воздействию коррозии. Если создать сплав титана и циркония, то повысится устойчивость к кислотам у первого элемента.

Также стоит отметить, что все циркониевые сплавы с другими металлами характеризуются тем, что они не теряют своей вязкости в широком интервале температуры, сопротивление ударным механическим нагрузкам сохраняется на очень высоком уровне. Можно привести пример сплава магния с несколькими процентами цинка и всего с несколькими десятыми процента циркония. Полученный в итоге металл будет практически вдвое прочнее, чем простой магний, а также он сможет сохранять свою прочность при температуре до 200 градусов по Цельсию.

Описание характеристик

Циркониевые сплавы наиболее активно используются в таких областях, как оболочки ТВЭлов, труб топливных каналов, различных деталей ТВС. Сам по себе цирконий характеризуется еще и тем, что сечение поглощения нейтронов довольно низкое. По этому показателю он уступает лишь таким веществам, как магний и бериллий. Кроме этого, температура плавления циркония очень высока.

Циркониевые сплавы, использующиеся в разных отраслях, характеризуются тем, что у них очень высокая коррозионная стойкость в воде, в пароводяной смеси, в насыщенном и перегретом паре до температуры примерно в 350-360 градусов по Цельсию. Также стоит отметить, что в ближайшем будущем ожидается, что этот температурный предел будет повышен до более высоких значений.

Параметры сплава

Свойства циркониевых сплавов в плане механической устойчивости довольно высоки, чего нельзя сказать о чистом цирконии. Именно легированием достигается высокая прочность материала. К примеру, такой сплав, как ниобий (Nb) и 1% циркония (Zr) будет характеризоваться тем, что предел текучести материала при температурах 20, 200, 300 и 400 градусов по Цельсию, будет равен 200, 160, 120 и 90 МПа. Такой сплав активно используется для оболочек твэлов. А, к примеру, если изменить состав циркониевого сплава с ниобием, то есть повысить содержание циркония до 2,5%, то предел текучести вырастет до 280, 220, 200 и 180 МПа, при тех же температурах.

Однако у таких материалов есть и свои недостатки. К минусам стоит отнести то, что сплав с цирконием получается слишком ползучим при достижении температуры в 320-350 градусов по Цельсию и выше. Еще одним недостатком стало то, что Zr активно растворяет водород, который часто возникает в процессе коррозии. Из-за этого будут образовываться такие вещества, как гидриды циркония, сильно снижающие пластичность сырья, что делает металл более хрупким.

Цирконий в медицине

Циркониевые сплавы в медицине используются довольно активно. Ученые путем экспериментов выяснили, что даже ношение простых циркониевых браслетов может помочь в лечении некоторых болезней, а также это может повысить общий уровень самочувствия человека.

На сегодняшний день довольно часто используются импланты (фиксаторы) в таких областях медицины, как травматология и челюстно-лицевая хирургия. Фиксаторы применяют при переломах, фиксируя кости так, чтобы они не двигались. Именно в этих случаях можно выделить такие преимущества использования циркониевых сплавов, как: высокая биологическая совместимость (имеется в виду отсутствие аллергических реакций организма человека на такой сплав или отторжение), высокие прочностные характеристики сплава, что очень важно для фиксаторов. Также стоит отметить, что отсутствие отторжения или аллергии на такое вещество привело к тому, что отпала необходимость в повторном проведении хирургической операции по извлечению фиксатора, если вдруг организм начинал отторгать имплант.

Цирконий в атомной энергетике

До 50-х годов прошлого столетия считалось, что цирконий не пригоден для использования в этой сфере. Однако именно в 50-х гг. был впервые получен материал, который полностью очищен от такой примеси, как гафний. После очистки оказалось, что чистый цирконий обладает очень малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов. Именно это качество стало основным и дало возможность использовать циркониевые сплавы в атомной энергетике.

Стоит добавить, что использовать просто очищенный цирконий не получалось из-за того, что стойкость к коррозии была слишком низкой в горячей воде. После этого было принято решение об использовании именно сплавов на основе циркония. Они отлично зарекомендовали себя при применении в реакторах с пароводяным теплоносителем, а также в других подобных агрессивных средах.

Общее применение сплавов

Очень широко используется цирконий в качестве легирующего элемента. Это обусловлено тем, что металлы, к которым добавляют это вещество, становятся более жаропрочными, кислотоупорными и т.д. То есть сплав металла и циркония сильно превышает по своим характеристикам начальное сырье.

Довольно широко используется ферроцирконий. Это сплав циркония с железом. Содержание легирующего элемента Zr достигает 20% от общей массы. Используется такое вещество в металлургии в качестве раскислителя и дегазатора для стали. Алюминиево-циркониевые сплавы, к примеру, считаются наиболее устойчивыми к коррозии и применяются в катодных сетках для электровакуумных ламп. Содержание Zr в таком сплаве не более 3% от общей массы.

В черной металлургии, кроме ферроциркония, часто используется сплав Zr и кремния. Применяют его для дегазации стали. Широко используется сплав меди и циркония для изготовления токопроводящих элементов для электротехнической аппаратуры.

Нахождение циркония

Стоит отметить, что цирконий - это довольно слабо распространенный элемент. Содержание этого вещества в земной коре не превышает 0,025% по массе. В таблице распространенности металлов цирконий занимает двенадцатую строчку. Это сырье довольно сильно распылено, а потому найти его хоть сколько-нибудь крупные залежи очень трудно. Чаще всего он встречается в качестве химического соединения, расположенного в литосфере, так как сам по себе цирконий - это литофильный элемент.

Цирконий: сплавы на его основе. Свойства, применение

Редкий, но при этом очень важный во многих отраслях металл – цирконий - был впервые выделен только в 1824 году. При этом он все же содержал некоторый процент других элементов. Только в 20-м столетии удалось получить чистый, свободный от различных примесей цирконий. Сплавы на его основе успешно используются для изготовления огнеупоров, абразивов, керамических красок, наждачной бумаги, текстиля, дезодорантов и искусственных камней. Конечно же, нельзя забыть и о высокой значимости этого металла в медицине. Узнаем о нем более детально.

Развитие металлургии

Цирконий – это основной компонент сплавов для ядерной энергетики. Но для этого необходимо, чтобы он был максимально чист от различных примесей. Дело в том, что в циркониевых рудах присутствует не только такой редкоземельный элемент, как гафний, но и азот, углерод и кислород. А такие примеси неметаллов достаточно опасны и могут входить в состав конструкционных материалов для ядерных реакторов в количестве не более чем миллионные доли процентов. Поэтому получение чистого циркония и сплавов на его основе – это достаточно долгий и трудоёмкий процесс. Сначала производят вскрытие концентрата, затем его обогащают, отделяют нежелательные примеси и гафний.

Чистый цирконий выглядит как типичный металл. По внешнему виду он очень похож на сталь, но при этом более прочный и пластичный. Конечно же, в сплавах на его основе его характеристики могут значительно меняться в зависимости от количества других элементов. Например, кислород (больше 0,6 %) сделает цирконий более хрупким. Но есть и обратная сторона медали: двуокись этого металла (ZrO₂) имеет температуру плавления 2680 °С.

Основной конструкционный материал

Как уже было сказано ранее, самой широкою областью, где применяется цирконий и его сплавы, является ядерная промышленность. Их главным преимуществом является то, что у них малое сечение захвата тепловых нейтронов (всего 0,18 барн), хорошие коррозионные свойства и высокая температура плавления. Так, ТВЭЛ – это главный конструктивный тепловыделяющий элемент активной зоны ядерного реактора, в который помещают ядерное топливо. Именно в нем происходит деление тяжелых ядер, а значит, ТВЭЛ должен быть выполнен из максимально прочного и тугоплавкого металла, и он не должен изменять характер поглощения нейтронов в реакторе.

Так, для изготовления его оболочки используют сплавы циркония. Требования к ним достаточно жесткие. Так, легирующие элементы не должны ухудшить его характеристик. В особенности это касается малого сечения захвата тепловых нейтронов. Цирконий легируют для того, чтобы подавить вредное влияние азота и улучшить его коррозионные свойства. Многие элементы периодической системы Менделеева не подходят, так как снижают те или иные характеристики.

Самый известный сплав, используемый для изготовления ТВЭЛа, - это циркалой. Его основным легирующим элементом является олово, а вспомогательными – железо, хром и никель. В России чаще всего для легирования циркония применяют ниобий. Он также обладает малым сечением захвата тепловых нейтронов, снижает поглощение водорода и образует только твердые растворы. А это, в свою очередь, обеспечивает сплавам высокую пластичность.

Легирование цирконием

Высокая коррозионная стойкость этого металла объясняет, почему его так часто используют в качестве легирующего элемента в черной и цветной металлургии. Кроме того, он нерастворим в соляной и азотной кислотах и щелочах. Так, высокой популярностью пользуются многокомпонентные сплавы циркония с магнием. К тому же легирование этим металлом повышает стойкость к действию кислот титана. Сплавы циркония с медью обладают высокой прочностью и электропроводностью. Достаточно часто он также используется в качестве присадки при производстве различных марок стали. Это позволяет удалить из них серу, азот и кислород.

Медицинская промышленность

Рассматривая цирконий и его сплавы, нельзя не упомянуть и о еще одной сфере их использования. В медицинской промышленности они занимают далеко не последнее место. Еще совсем недавно для изготовления имплантатов и фиксаторов применяли сталь и титановые сплавы. Однако в некоторых случаях организм отторгал эти металлы, на фоне чего появлялась аллергическая реакция. Современная медицина использует сплавы циркония и титана для изготовления скоб, пластин, имплантатов, зубных протезов и механизмов их фиксации.

Поскольку этот металл и его соединения не оказывают раздражающего действия на кости и окружающие мягкие ткани, его с успехом применяют для изготовления ювелирных изделий. Так, например, циркониевые сережки не вызывают аллергической реакции и заживляют ранку на мочке уха не хуже, чем золото.

Электропотребление

Сплав алюминия и циркония обладает многими положительными характеристиками и поэтому с успехом используется в энергетической промышленности. Дело в том, что стальные и медные провода весят достаточно много, и часто старые опоры не выдерживают такой нагрузки. В 1960 году в Японии одна группа ученых изготовила серию сплавов алюминия и циркония. Они определили, что такой материал может длительно эксплуатироваться при высоких температурах (150-230 °С) и при этом он будет достаточно легким. Это позволяет использовать его для изготовления высокотемпературных проводов. Это повышает надежность и эффективность работы электрических сетей.

Другие области применения соединений и сплавов на основе циркония

В многих антиперспирантах в составе можно встретить такой компонент, как Aluminium Zirconium Tetrachlorohydrex. Это химическое соединение, которое поглощает пот и его неприятный запах. Учеными было выяснено, что он не впитывается в кожу, а значит, не может принести сильного вреда здоровью. Несмотря на это, в ЕС и США алюминий-цирконий-тетрахлоргидрексглицин запрещен.

Оксид циркония применяется для изготовления электрокорунда. Его получают при плавке в наклоняющихся электропечах. Циркониевый электрокорунд получается достаточно прочным и позволяет обрабатывать материалы с большим усилием прижима. Чаще всего его применяют при черновом и обдирочном шлифовании.

В целом следует отметить, что цирконий и его сплавы имеют высокую температуру плавления, стойкость к химическим воздействиям, малый коэффициент термического расширения. Именно по этой причине он активно используется в самых разнообразных областях.

Применение циркония в ядерной промышленности

Цирконий – стойкий к коррозии, пластичный и химически инертный металл, устойчив в воде и водяных парах до +300 °C. Цирконий широко используется в различных сферах промышленности, но особенно ценна его роль в атомной энергетике. На долю нашей страны приходится порядка 10 % мировых запасов циркония, а это третье место в мире. Он обнаружен в Мурманской, Тамбовской, Томской, Нижегородской областях. В ядерной промышленности применяется еще с середины 20 в.

Как цирконий был открыт для атомной энергетики

Хотя «бум» на цирконий начался в США, его изучение в СССР пошло по собственному и весьма плодотворному пути. Ученые ВНИИНМ (сейчас это один из ведущих институтов «Росатома») в 50 гг. прошлого века не только анализировали состав и свойства металла (об этом в мире было мало известно), но и разрабатывали способы получения, плавки, переплавки в слитки, обработки циркония для нужд атомной промышленности.

К слову, курировал работы по цирконию великий советский ученый-металловед Андрей Бочвар. Необходимо было получить кондиционный цирконий реакторной чистоты (значительно очищенный от гафния и прочих примесей), чем и занималась отдельная лаборатория. Здесь изучались и создавались циркониевые материалы для работы в реакторах различного типа с водой, гелием, пароводяной смесью и другими теплоносителями.

Цирконий реакторной чистоты получали магниетермическим, электролитическим, йодидным способом. Его сплавы шли на изделия для разных ядерных реакторов, узлы активных зон, твэлы – то есть на главные конструктивные элементы ядерного реактора. Чистый цирконий не может использоваться для твэлов, поскольку при температуре воды и пара 300-400 °С прочностные характеристики и коррозионная стойкость металла снижаются. Именно поэтому для оболочек твэлов нужны сплавы на базе циркония.

Почему цирконий начали применять в ядерной промышленности

Цирконий имеет высокую (2125 K) температуру плавления и малое сечение захвата медленных нейтронов. Чем медленнее двигаются нейтроны, тем легче возникают реакции превращения элементов. Поэтому из циркония и его сплавов изготавливают различные конструктивные элементы ядерных реакторов (тепловыделяющие элементы, сборки и пр.).

Чтобы уменьшить загрузку ядерного топлива в реакторах на тепловых (медленных) нейтронах, как раз в активной зоне и нужны конструкционные материалы с малым сечением радиационного захвата нейтронов. Это одно из главных условий их эффективной работы. Плюс следует выбрать металлы с радиационной, коррозионной стойкостью, нужными механическими свойствами.

Всем требуемым качествам и отвечает цирконий. Его сплавы также обладают высокой коррозионной стойкостью к воде и пару. А металлоподобный гидрид циркония (соединение Zr с водородом) применяется в качестве замедлителя нейтронов в тех же реакторах на тепловых нейтронах.

Какие сплавы с цирконием применяются в ядерной промышленности

Отечественные ученые после долгих и серьезных изысканий пришли к выводу, что добавки Nb (ниобия) оптимальны для ядерной сферы за счет его положительного воздействия на пластичность и прочность Zr. Ниобий имеет небольшое сечение захвата нейтронов, он упрочняет цирконий, снижает поглощение им водорода и улучшает коррозионную стойкость.

Ниобийсодержащие сплавы (Э110, 125) стали наиболее популярными для изделий в активной зоне реактора. Они используются для оболочек твэлов и иных деталей тепловыделяющих сборок в реакторах с водой под давлением при температуре до +350 °С.

Добавки - титана и алюминия, как показали дальнейшие исследования, негативно сказывались на стойкости к коррозии в высокотемпературной воде. Точно также из потенциальных легирующих компонентов были исключены кремний, германий, ванадий, никель и многие другие. Фактически оказалось, что для легирования в Zr можно добавлять лишь ниобий, олово, железо и хром.

Результаты научных исследований сплавов циркония со времен СССР до наших дней

Советские исследования были дополнены в современный период новейшими опытно-конструкторскими и научными работами, что свело фактически к нулю количество твэлов с дефектами. Усовершенствованный и доработанный советский сплав с 1% Nb применяется в водно-паровых реакторах (при температуре работы +300 °С) повсеместно.

Сплав 2,5 % с ниобием широко используется в тепловыделяющих сборках. Сейчас сплав Zr1% Nb идет в одном состоянии для оболочек твэлов — отожженном при температуре 580 °С (Э110) или при 620 градусах (110К) перед последней холодной прокаткой. Так обеспечивается структура циркония, которая максимально близка к полностью рекристаллизованной, и гарантируется должная пластичность и коррозионная стойкость металла. Также сплав с 1 % ниобием отличает и наибольшее сопротивление радиационным ползучести и росту коррозии под напряжением в атмосфере газовых продуктов деления топлива.

Рисунок 1. Тепловыделяющая сборка (ТВС)

Какие требования предъявляются к циркониевым сплавам и изделиям из них в ядерной энергетике

Коррозионная стойкость на весь срок эксплуатации твэлов.
Легирующие компоненты сплава также должны иметь небольшое сечение захвата тепловых нейтронов (принципиальное свойство), чтобы соответствовать в этом цирконию, а не ухудшить металл. По этому показателю для легирования не подходит тантал, вольфрам, кобальт.
Заданные механические параметры оболочек, которые бы гарантировали надежность работы твэлов при любых режимах эксплуатации реактора (включая скачки мощности, аварийные ситуации).

Из циркониевых сплавов для нужд атомной энергетики изготавливаются различные виды изделий

дистанцирующие решетки сотового типа – из труб, и из полос для тепловыделяющих сборок;
оболочечные трубы из цилиндрических, конических и литых заготовок;
каналы, кассеты.

Рисунок 2. Изделия из циркония для атомной промышленности

Постепенно лидирующей технологией изготовления стала прокатка, а не ковка тяжелых слитков (что облегчило работу). Плюс изделия, полученные прокаткой, отличало такое же качество, коррозионное поведение и механические свойства, а сплав Э110 показал себя более однородным. Сейчас циркониевые сплавы получают в электронно- лучевых и дуговых вакуумных печах с расходуемым электродом.

Что производят из циркония для ядерной промышленности

Циркониевые слитки из сплавов Э110, 125, 635 массой от 1 до 3,5 кг – это исходное сырье, из которого производится различная продукция под нужды атомной энергетики и тяжелой промышленности.
Коррозионностойкие трубы и трубки, бесшовные и оболочечные. Последние применяются как оболочки твэлов в ядерных реакторах.
Круги, прутки обычной и повышенной точности различного диаметра и длины (до 7400 мм). Прутки становятся заготовкой для производства разнообразных элементов и приспособлений в активной зоне реактора.
Стойкие к коррозии листы холоднокатаные для кожухов тепловыделяющих кассет атомных реакторов (длина до 3680 мм).
Проволока холоднотянутая, изготовленная методом холодного волочения, диаметром до 3 мм и длиной не менее 2000 мм.
Циркониевая губка.

Цирконий был и продолжает оставаться жизненно важным металлом для ядерной энергетики. Внедрение современных технологий ставит все более высокую планку в производстве изделий из циркония, а это позволяет гарантировать их надежность и эффективность в любых отраслях применения.

Обзор промышленного применения циркония

Цирконий (Zr) – цветной металл серебристо-серого цвета. В чистом виде цирконий химически неустойчив, поэтому в природе встречается только в составе минералов. Самые распространённые минералы, используемые для получения цирконий содержащего рудного концентрата – сырья для производства металлического циркония: циркон (ZrSiO₄), бадделеит (ZrO₂), эвдиалит (Na,Ca,Fe)₈ZrSi₆O₁₇(OHCl), эвколит, кальдасит и др.

Цирконий отличается высокой пластичностью, теплопроводностью, жаростойкостью, износоустойчивостью, исключительной коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Наряду с этим, цирконий парамагнитен, способен удерживать рентгеновское излучение, нейтрален к воздействию биологических сред, превосходя по этому параметру титан, имеет низкую температуру самовоспламенения и ряд других уникальных характеристик.

Применение циркония

Чистый цирконий и его сплавы широко используют во многих отраслях промышленности, от ядерной энергетики и химического аппаратостроения, до производства медицинского инструмента и ювелирного дела. В качестве конструкционного материала применяются трубы, проволока, прутки, слитки, листы, фольга из циркониевых сплавов. Для специальных технологических покрытий и приготовления многокомпонентных смесей используют порошок циркония.

Ядерная энергетика

Циркониевые сплавы выступают основным материалом для оболочек ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов), канальных и труб, являющихся чехлами водо-водяных и кипящих энергетических реакторов. Чтобы повысить сопротивление циркония к радиационной ползучести и коррозии, разработаны его сплавы с основной легирующей добавкой 1%–2,5% ниобия (Nb), а так же сплавы с комплексом легирующих элементов: оловом (Sn), ниобием (Nb), никелем (Ni), железом (Fe). По совокупности характеристик наибольшее распространение в российской ядерной энергетике получил цирконий марки Э110 (Zr-1%Nb).

В состав циркония Э110 по ТУ 95.166-83 входят ниобий (Nb) 0,9−1,1%, бериллий (Be) 0,003%, железо (Fe) 0,05%, никель (Ni) 0,02%, алюминий (Al) 0,008% и другие примеси в незначительном объёме. Для оболочек ТВЭЛов используют трубу марки Э110 и Э110К. Общий сортамент циркония Э110 включает в себя пруток, лист, полосу, пластины, проволоку, ленту, отводы, фланцы и другие элементы под заказ. Из листового циркония марок Э110, а так же Э100 (Nb отсутствует) и Э125 (Nb 2,4-2,7%) изготавливают крышки топливных кассет, обшивки и корпуса ядерных реакторов.

Медицина

В медицине цирконий используют для протезирования. Из диоксида циркония ZrO₂ изготавливают зубные вкладки, коронки, керамические имплантаты, превосходящие по ряду параметров титановые. Когда десна отходит от шейки зуба, оголяя её, белая керамика выглядит эстетичнее, чем тёмная из титана. Цирконием покрывают трущиеся поверхности искусственных коленных и бедренных суставов, из него делают пластины для челюстно-лицевой хирургии. Диоксид циркония ZrO₂ выпускается в виде сверхтонкого кристаллического порошка, жидкой дисперсии, таблеток, гранул, брикетов.

Радиоактивный цирконий в виде меток применяется для отслеживания поведения лекарств, антител, белков в организме человека. Натрия циркония циклосиликат используют для лечения гиперкалиемии и гиперфосфатемии. Сейчас учёные работают над созданием металлоорганических соединений циркония – наномембран (каркасов), состоящих из металла и органики, с помощью которых можно подавлять рост бактерий, контролировать выделение лекарств, распределение газов и многое другое.

Металлургия

Когда цирконий присаживают в ковш с жидкой сталью, в результате его реакции с растворенным кислородом образуется нерастворимый оксид, который всплывает и удаляется как шлак. Избавляясь от газовых пузырей кислорода, сталь становится более прочной, но не теряет вязкости. Так же цирконий добавляют в металлы для повышения их коррозионной стойкости. Помимо этого, в литейном производстве применяют цирконистые огнеупоры (огнеупорные кирпичи и плиты) для футеровки ванн высокотемпературных печей для закалки сталей, для кладки печей для плавки алюминия.

Пиротехника

Низкая температура самовоспламенения порошкообразного металлического циркония (180-250°C), высокая температура горения в кислороде (до 3000°С) и большая скорость сгорания делают его идеальной основой воспламенительных составов для капсуль-детонаторов пиротехнических изделий, трассирующих патронов, осветительных ракет, салютов, фейерверков. В смеси с окислителями, такими как нитрат бария Ba(NO₃)₂ и хлорноватокислый калий (бертолетова соль) KClO_3`, цирконий образует бездымный порох.

Лёгкая промышленность

Цирконий очень широко используется в лёгкой промышленности, выпускающей предметы народного потребления. Значительную долю в этой сфере занимают керамика, фарфор, стекло, глазури, эмали. Добавление в их состав порошка двуокиси циркония ZrO₂ повышает прочность (за счёт образования кубической кристаллической решетки), щелоче- и кислотоустойчивость, препятствует растрескиванию изделий, а эмали придаёт белый цвет.

В контексте сказанного следует отметить популярные сегодня кухонные ножи из циркониевой керамики, а также керамическую глазурованную посуду, обладающую превосходными гигиеническими свойствами благодаря гладкой, непористой, химически стойкой поверхности. Особое место занимает жаропрочная керамика. Соли циркония применяют для производства типографских красок, разного рода лаков, которые не темнеют со временем, а также пластмасс.

Рисунок 2. Нож из циркониевой керамики

Другие области применения циркония

Цирконий применяют в ювелирной промышленности как заменитель благородных металлов. Знаменитый синтетический ювелирный камень фианит – кристаллы диоксида циркония ZrO₂, используют в украшениях в качестве имитации бриллиантов, а также для производства плоских оптических линз с большим коэффициентом преломления. Из карбида циркония делают жаропрочные сопла, реакторы, конструктивные элементы двигателей для аэрокосмической техники. Гидрид циркония является компонентом ракетного топлива.

Рисунок 3. Фианит

Из ковкого циркония делают химически стойкие центрифуги и насосы, лопасти турбин, поршни. Относительно недавно учёные обнаружили, что прочность борида циркония – керамики, полученной путем спекания порошка чистого бора и циркония, возрастает при нагреве. Это открывает большие перспективы для нового материала, например, для создания керамических двигателей внутреннего сгорания, и означает, что сферы использования металлического циркония ещё далеко не исчерпаны перечисленными выше областями.

Читайте также: