Nếu bạn được biết rằng một loại khoáng chất có khả năng được đánh bóng thành một viên đá quý sáng chói cũng đóng vai trò là người hùng thầm lặng giúp các nhà máy điện hạt nhân vận hành an toàn, bạn có thấy khó tin không? Zirconium, nguyên tố No{0}} trong bảng tuần hoàn, chính xác là một "người đóng vai trò kép" như vậy, tồn tại trong thế giới quầy trang sức và lò phản ứng hạt nhân.
Từ “đá lục bình” đến nguyên tố hóa học
Câu chuyện về zirconi bắt đầu từ một viên đá đẹp. Khoáng chất silicat tự nhiên có chứa zirconium được gọi là zircon, được đánh giá là một loại đá quý bán{1}}quý từ thời cổ đại. Nó hiển thị một bảng màu phong phú từ cam-đỏ và vàng-đến không màu và xanh lục hơi nâu-, và đáng chú ý là nó được khai thác trên đảo Sri Lanka ở Ấn Độ Dương cổ đại. Từ "zircon" được cho là bắt nguồn từ "Zargun" trong tiếng Ba Tư, có nghĩa là "vàng" - ám chỉ độ sáng rực rỡ của một số loại đá quý zircon. Zircon không màu khi cắt có thể lấp lánh ánh sáng gợi nhớ đến kim cương, thậm chí trong một thời gian dài nó còn bị nhầm lẫn với một loại "kim cương mềm".
Mãi đến năm 1789, zircon mới được nâng cấp từ đá quý thành nguyên tố nhờ một thí nghiệm của nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth. Bằng cách nung chảy zircon với natri hydroxit và xử lý nó bằng axit clohydric, cuối cùng ông đã phát hiện ra một oxit chưa được biết đến trước đây mà ông đặt tên là "zirconia". Sau đó, vào năm 1824, nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius lần đầu tiên sản xuất được zirconium kim loại, nhưng phải đến năm 1925, người ta mới thực sự thu được zirconium kim loại nguyên chất, dẻo.
Bạc-Xám "Toàn diện{1}}"
Zirconium kim loại nguyên chất là chất rắn màu xám bạc-bóng sáng trông giống như thép. Điểm nóng chảy của nó cao tới 1.855 độ và điểm sôi của nó đạt tới 4.409 độ - có nghĩa là ở nhiệt độ mà hầu hết các kim loại đã tan chảy từ lâu, zirconi vẫn không bị biến dạng.
Zirconium tự hào có ba tài năng đáng chú ý:
Đầu tiên, khả năng chống ăn mòn "bất khả xâm phạm" của nó. Zirconium có khả năng kháng đặc biệt với hầu hết các axit, kiềm và nước biển, với các dung dịch nước axit và kiềm thông thường hầu như không thể ăn mòn nó. Đặc tính này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho thiết bị hóa học - lò phản ứng, máy bơm chống axit-, ống trao đổi nhiệt, van - ở bất cứ nơi nào cần khả năng chống ăn mòn, zirconi thường được tìm thấy.
Thứ hai, khả năng hấp thụ khí-"thích ứng" của nó. Khi đun nóng, zirconium có thể hấp thụ một lượng lớn oxy, hydro, nitơ và các loại khí khác. Chỉ 100 gram zirconi kim loại có thể hấp thụ 817 lít hydro ở 200 độ. Đặc điểm này được tận dụng một cách khéo léo trong ngành công nghiệp chân không điện. - zirconium được phủ lên cực dương của ống điện tử để hấp thụ khí dư, tạo ra-ống chân không cao.
Thứ ba, "Midas touch" trong hợp kim. Zirconium được ca ngợi là "vitamin" của ngành luyện kim - chỉ cần thêm một lượng nhỏ cũng có thể cải thiện đáng kể các đặc tính của vật liệu. Việc thêm một-một phần nghìn zirconi vào thép giúp tăng cường đáng kể độ bền và độ cứng của thép, khiến thép bọc thép chứa zirconium-trở thành vật liệu quan trọng để sản xuất xe tăng và tấm chống đạn. Thêm một chút zirconi vào đồng có thể làm tăng điểm nóng chảy của nó mà không ảnh hưởng đến tính dẫn điện, khiến nó rất phù hợp với đường dây điện cao thế.
“Kim loại số một” của thời đại hạt nhân
Nếu những điều trên chỉ đơn thuần là "công việc phụ" của zirconi thì "nghề nghiệp chính" của nó là sự biến đổi đối với bối cảnh năng lượng của con người.
Điều khiến hợp kim zirconium trở thành vật liệu cấu trúc cốt lõi của lò phản ứng hạt nhân là một đặc điểm có vẻ nghịch lý nhưng rất quan trọng - tiết diện hấp thụ neutron nhiệt cực thấp-. Nói một cách đơn giản, neutron tạo ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân là những "tia lửa" duy trì phản ứng dây chuyền, tuy nhiên hầu hết các kim loại đều hấp thụ neutron giống như miếng bọt biển thấm nước, do đó làm gián đoạn phản ứng. Tuy nhiên, zirconium là một ngoại lệ - nó hấp thụ rất ít neutron, đồng thời chịu được sự ăn mòn từ-nhiệt độ cao, áp suất cao{6}}nước ở 300–400 độ và duy trì khả năng tương thích tốt với nhiên liệu hạt nhân.
Chính sự kết hợp các ưu điểm này đã cho phép chế tạo hợp kim zirconium thành các ống dài,{0}}có thành mỏng, bao bọc các viên nhiên liệu uranium dioxide và đóng vai trò là rào cản an toàn đầu tiên của lò phản ứng hạt nhân. Người ta ước tính rằng có tới 90% zirconium được sản xuất trên toàn cầu được sử dụng trong lĩnh vực điện hạt nhân. Từ tàu ngầm hạt nhân đến lò phản ứng "Hualong One", ống bọc hợp kim zirconium vẫn là "áo giáp nhiên liệu hạt nhân" không thể thiếu.
