Wenn Ihnen gesagt würde, dass ein Mineral, das sich zu einem schillernden Edelstein polieren lässt, auch als heimlicher Held dient, der für den sicheren Betrieb von Kernkraftwerken sorgt, würden Sie es kaum glauben? Zirkonium, Element Nr. 40 im Periodensystem, ist genau solch ein „Doppelrollenspieler“, der die Welten von Schmucktheken und Kernreaktoren überspannt.
Vom „Hyazinthenstein“ zum chemischen Element
Die Geschichte von Zirkonium beginnt mit einem wunderschönen Stein. Das natürliche Silikatmineral, das Zirkonium enthält, heißt Zirkon und wird seit der Antike als Halbedelstein geschätzt. Es weist eine reiche Farbpalette auf, die von Orange-Rot und Gold-Gelb bis hin zu farblosem und bräunlichem-Grün reicht, und wurde vor allem auf der Insel Sri Lanka im alten Indischen Ozean abgebaut. Das Wort „Zirkon“ soll vom persischen „Zargun“ abgeleitet sein, was „golden“ bedeutet - und sich auf die schillernde Brillanz bestimmter Zirkon-Edelsteine bezieht. Farbloser Zirkon kann im geschliffenen Zustand mit einem Glanz funkeln, der an Diamanten erinnert, und lange Zeit wurde er sogar mit einer Art „weichem Diamanten“ verwechselt.
Erst 1789 wurde Zirkon dank eines Experiments des deutschen Chemikers Martin Heinrich Klaproth vom Edelstein zum Element erhoben. Indem er Zirkon mit Natriumhydroxid verschmolz und es mit Salzsäure behandelte, entdeckte er schließlich ein bisher unbekanntes Oxid, das er „Zirkonoxid“ nannte. Später, im Jahr 1824, stellte der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius erstmals metallisches Zirkonium her, doch erst 1925 wurde wirklich reines, duktiles metallisches Zirkonium erhalten.
Der silber-graue „Allrounder“
Reines metallisches Zirkonium ist ein glänzender silbergrauer Feststoff, der im Aussehen an Stahl erinnert. Sein Schmelzpunkt liegt bei bis zu 1.855 Grad und sein Siedepunkt erreicht 4.409 Grad -, was bedeutet, dass Zirkonium bei Temperaturen, bei denen die meisten Metalle längst geschmolzen sind, unnachgiebig bleibt.
Zirkonium verfügt über drei bemerkenswerte Talente:
Erstens seine „unverwundbare“ Korrosionsbeständigkeit. Zirkonium ist außerordentlich beständig gegen die meisten Säuren, Laugen und Meerwasser, wobei gewöhnliche wässrige Lösungen von Säuren und Laugen kaum in der Lage sind, es zu korrodieren. Diese Eigenschaft macht es zu einem idealen Material für chemische Geräte - Reaktoren, säurebeständige Pumpen-, Wärmetauscherrohre und Ventile - überall dort, wo Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, findet man häufig Zirkonium.
Zweitens seine Fähigkeit, Gase zu absorbieren-. Beim Erhitzen kann Zirkonium große Mengen an Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und anderen Gasen absorbieren. Nur 100 Gramm metallisches Zirkonium können bei 200 Grad 817 Liter Wasserstoff aufnehmen. Diese Eigenschaft wird in der elektrischen Vakuumindustrie geschickt genutzt - Die Anoden von Elektronenröhren werden mit Zirkonium beschichtet, um Restgase zu absorbieren, wodurch Hochvakuumröhren entstehen.
Drittens der „Midas-Touch“ beim Legieren. Zirkonium wird als „Vitamin“ der metallurgischen Industrie gefeiert - Die Zugabe nur einer winzigen Menge kann die Materialeigenschaften erheblich verbessern. Die Zugabe von einem -Tausendstel Zirkonium zu Stahl erhöht seine Festigkeit und Härte erheblich und macht zirkoniumhaltigen Panzerstahl zu einem wichtigen Material für die Herstellung von Panzern und kugelsicheren Platten. Die Zugabe von etwas Zirkonium zu Kupfer kann seinen Schmelzpunkt erhöhen, ohne die elektrische Leitfähigkeit zu beeinträchtigen, wodurch es sich hervorragend für Hochspannungsleitungen eignet.
Das „Metall Nummer Eins“ des Atomzeitalters
Wenn es sich dabei lediglich um die „Nebentätigkeiten“ von Zirkonium handelt, dann ist seine „Hauptbeschäftigung“ für die Landschaft der menschlichen Energie von entscheidender Bedeutung.
Was Zirkoniumlegierungen zum Kernstrukturmaterial von Kernreaktoren macht, ist eine scheinbar paradoxe, aber dennoch entscheidende Eigenschaft -ein extrem geringer Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen-. Vereinfacht ausgedrückt sind die bei der Kernspaltung erzeugten Neutronen die „Funken“, die die Kettenreaktion aufrechterhalten, doch die meisten Metalle absorbieren Neutronen wie ein Schwamm, der Wasser aufsaugt, und unterbrechen so die Reaktion. Zirkonium stellt jedoch eine Ausnahme dar. - Es absorbiert nur sehr wenige Neutronen, widersteht aber gleichzeitig der Korrosion durch Wasser mit hoher-Temperatur und hohem-Druck bei 300–400 Grad und behält eine gute Kompatibilität mit Kernbrennstoff bei.
Genau diese Kombination von Vorteilen ermöglicht die Herstellung von Zirkoniumlegierungen zu langen, dünnwandigen Rohren, die Urandioxid-Brennstoffpellets umschließen und als erste Sicherheitsbarriere eines Kernreaktors dienen. Schätzungen zufolge werden bis zu 90 % des weltweit produzierten Zirkoniums im Kernenergiesektor verwendet. Von Atom-U-Booten bis zum Reaktor „Hualong One“ bleiben Hüllrohre aus Zirkoniumlegierungen eine unverzichtbare „Kernbrennstoffpanzerung“.
