Freisetzung von Wasserstoff aus Zirkalloy BRC-276 unter Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen

Einleitung

Zirkalloy BCR-276 (Zirc-4) ist ein von der Europäischen Kommission zertfiziertes Referenzmaterial. Aufgrund seines geringen Einfangquerschnitts für thermische Neutronen und der hervorragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften wird Zirkalloy als Hüllmaterial in Kernreaktoren eingesetzt. Bei dem durch ein Erdbeben und einen Tsunami ausgelösten Unfall im Kernkraftwerk Fukushima-Daiichi in Japan sammelte sich Wasserstoff unter dem Gebäudedach an und entzündete sich. Eine Möglichkeit, Wasserstoff unter diesen außergewöhnlichen Bedingungen zu erzeugen, könnte gemäß der relativ einfachen chemische Reaktion (1) erfolgen:

Zr + 2 H₂O --> ZrO₂ + 2 H₂ + ΔH

Um diese Reaktion zu bestätigen, wurden einige Vorversuche durchgeführt, die im Folgenden beschrieben sind.

Experimenteller Teil

A NETZSCH STA 449 F3 Jupiter^® was equipped with a water vapor furnace and a QMS mass spectrometer QMS 403 Aeolos. Three cylinders from BCR-276 (sample weight approx. 600 mg) were placed on an alumina plate on a TG sample carrier. The samples were heated with 5 and 10 K/min under N₂ and water vapor to 1050°C. The intensities of water and hydrogen were monitored with the mass spectrometer.

Ergebnisse und Diskussion

In Abbildung 1 sind die TG-Kurven (Massenänderung) und die Massenzahlen von Wasserstoff und Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur für die 10 K/min- Messung dargestellt. Nach Beginn der oxidationsbedingten Gewichtszunahme (schwarze Kurve) steigt auch der Wasserstoffgehalt an.

Einhergehend mit der Wasserstoffzunahme nimmt die Wasserintensität ab. Die Gewichtszunahme bis 105 °C betrug 4 Gew.-%.

Abbildung 2 zeigt einen Vergleich der TG-Kurven und Wasserstoffintensitäten für die beiden Messungen mit 5 K/min und 10 K/min. Mit einer Heizrate von 5 K/min setzen OxidationOxidation kann im Zusammenhang mit thermischer Analyse verschiedene Vorgänge bezeichnen.Oxidation und Wasserstoffentwicklung früher als mit 10 K/min ein. Bei ca. 950 °C geht die Wasserstoffentwicklung in einen stabileren, gesättigten Zustand über (konstantes Niveau).

In Abbildung 3 ist die Probe vor und nach der Messung dargestellt.