Le zirconium, métal extrait du zircon, est peu connu, mais ses propriétés remarquables le rendent indispensable dans les domaines de l’énergie nucléaire, de l’industrie chimique, de la médecine, et bien d’autres encore. Depuis l’Antiquité, le zircon – terme qui proviendrait du persan « Zargun », qui signifie « semblable à l’or » – est utilisé dans les secteurs de la joaillerie et de la décoration.
Cinq choses à savoir sur le zirconium
Le nucléaire expliqué
Le zirconium, métal extrait du zircon, est peu connu, mais ses propriétés remarquables le rendent indispensable dans les domaines de l’énergie nucléaire, de l’industrie chimique, de la médecine, et bien d’autres encore.
1. Le zirconium est un métal brillant de couleur gris argent.
Le zirconium est hautement ductile et résiste à la corrosion et à la chaleur. Dans le tableau périodique des éléments, il est désigné par le symbole Zr et porte le numéro 40. Il fond à 1 855 degrés Celsius (°C) et son point d’ébullition se situe à 4 409 °C. Il est résistant à la corrosion due aux acides, aux alcalis et à l’eau de mer.
2. Le zircon est un minerai assez répandu sur terre.
Le zirconium est principalement extrait à partir du zircon, minerai souvent présent dans les sables littoraux. Il n’existe pas de gisements à forte concentration de zircon ; on le trouve le plus souvent disséminé dans les alluvions. À ce jour, les principaux producteurs de zirconium sont l’Afrique du Sud, l’Australie, la Chine, l’Indonésie et l’Ukraine. Dans l’espace, il a été établi que plusieurs étoiles, notamment le soleil, ainsi que les roches lunaires, contiennent du zircon.
3. Le zirconium a été découvert en 1789.
Le zirconium a été découvert par un chimiste allemand, Martin Klaproth, dans une pierre de zircon rapportée du Sri Lanka. Le zirconium à l’état pur, c’est-à-dire sous forme de métal sans mélange ni alliage avec d’autres éléments, a été produit pour la première fois en 1925, mais son utilisation à des fins industrielles n’a pris son essor qu’à la fin des années 1940, lorsqu’il est devenu un matériau d’une grande importance pour la production d’énergie nucléaire.
4. Le zirconium est principalement utilisé pour la production d’énergie nucléaire.
Le zirconium est indispensable pour produire de l’énergie nucléaire. Il sert notamment de matériau de gainage pour les longues barres de combustible cylindriques placées dans les réacteurs nucléaires. Plusieurs caractéristiques font du zirconium un matériau tout indiqué pour conditionner les pastilles d’uranium : il est extrêmement résistant à la corrosion et aux températures élevées, et absorbe très peu de neutrons produits lors d’une réaction de fission nucléaire, laquelle est essentielle pour déclencher dans le cœur du réacteur la réaction en chaîne permettant de produire l’énergie.
Le fait d’utiliser le zirconium pour le gainage du combustible à l’uranium contribue également à éviter toute contamination du fluide de refroidissement – généralement de l’eau – qui circule dans le cœur du réacteur. Près de 90 % du zirconium produit dans le monde est destiné à la production d’énergie nucléaire.
Les gaines qui enrobent les barres de combustible nucléaire sont essentiellement fabriquées à partir d’alliages de zirconium. Dans les assemblages combustibles, ces barres renferment des pastilles de matière fissible – en règle générale, du dioxyde d’uranium. [Photo : 1) Adobe Stock, 2/3) Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB), 3) Atomic-energy.ru]
5. La majeure partie du zirconium produit est destinée à la filière nucléaire, mais il a aussi d’autres applications.
Le zirconium est couramment utilisé dans l’industrie chimique, du fait de ses remarquables propriétés anticorrosives face à de nombreux acides et alcalis. Les composés de zirconium sont utilisés pour la fabrication de céramiques, d’abrasifs, de filaments de lampes, de moteurs à réaction et de pièces pour les navettes spatiales. Dans le domaine médical, le dioxyde de zirconium, également appelé « zircone », est un matériau auquel il est fait appel pour les implants dentaires et chirurgicaux en raison de sa biocompatibilité et de sa résistance. La zircone est également utilisée en joaillerie comme cristal de synthèse – la zircone cubique – qui peut être un substitut au diamant et à d’autres pierres précieuses.
En savoir plus sur le zirconium
L’AIEA a publié The Metallurgy of Zirconium, un ouvrage en trois volumes consacré à ce métal, qui explique en détail les procédés utilisés pour son extraction, ses propriétés et ses applications dans l’énergie nucléaire.
1. Zirconium is a shiny silver-grey metal
It is highly ductile and extremely resistant to corrosion and heat. Its symbol in the periodic table is Zr, and its atomic number is 40. It melts at 1855 degrees Celsius (°C) and boils at 4409 °C, and it is not corroded by acids, alkalis or seawater.
2. The mineral zircon is relatively widespread on the Earth’s surface
Zirconium is primarily extracted from the mineral zircon which is often found in the sands of coastal waters. The mineral is not contained in concentrated deposits, but rather broadly dispersed inside the ground. Today, the major producers of zirconium include Australia, China, Indonesia, South Africa and Ukraine. Beyond Earth, the element has been identified in the stars, including the Sun, and in lunar rocks.
3. Zirconium was discovered in 1789
Zirconium was identified by German chemist Martin Klaproth in a zircon stone brought from Sri Lanka. Pure zirconium — metal not mixed or alloyed with other elements — was first produced in 1925. But it was not widely used in industry until the end of the 1940s when it became an important engineering material used in producing nuclear energy.
4. Zirconium is mainly used in nuclear power
Zirconium is indispensable in the production of nuclear energy, particularly as a cladding for long cylindrical fuel rods inside nuclear reactors. There are several reasons why zirconium is an optimal material to surround uranium pellets: the metal is exceptionally resistant to corrosion and high temperatures, and it absorbs very few of the neutrons produced by a nuclear fission reaction. The latter is essential for the chain reaction to run effectively inside the reactor’s core and to sustain the production of energy.
By cladding uranium fuel, zirconium also helps protect the coolant, typically water flowing through the reactor core, from contamination. It is estimated that up to 90 per cent of zirconium produced in the world is used for nuclear power.
Fuel rods in a nuclear reactor are mainly made of zirconium alloys. These long metal tubes contain pellets of fissionable material, typically uranium oxide pellets. (Photo: IAEA)
5. While most zirconium is used in the nuclear field, it is not limited to that
Being tremendously resistant to corrosion by many acids and alkalis, it is broadly employed in the chemical industry. Zirconium compounds are used in ceramics, abrasives, lamp filaments, jet engines and space shuttle parts. In the medical field, zirconium dioxide, also known as zirconia, is applied as a material for dental and surgical implants due to its biocompatibility and durability. Zirconia is also used as a gemstone — cubic zirconia — a synthesized material that can be a substitute for diamonds and other precious stones.
Want to know more about zirconium?
The IAEA’s new publication The Metallurgy of Zirconium is your go-to source. Over three volumes, the book — unique in its scope and breadth — provides readers in industry and academia with a comprehensive review of the development and understanding of zirconium within the context of its use in nuclear reactors. It presents input from leading experts in the relevant fields and encompasses the full spectrum of zirconium as a metal, its properties and its use.
The publication’s coverage includes alloy development in the nuclear industry and guidelines on commercial alloys and alloys under development; extraction and consolidation of zirconium, from ore to ingot to component; deformation and texture of various alloys with analysis of the effects of irradiation damage on physical and mechanical behaviour as well as deformation and creep during irradiation and damage due to oxidation and corrosion; and ductility and fractures of alloys.
“The future of the nuclear industry worldwide depends primarily on the ability of the nuclear community to further improve our understanding of the materials used in the industry,” said Anzhelika Khaperskaia, Technical Lead at the IAEA Division of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology and current Scientific Secretary responsible for the publication of the book.
Download and read The Metallurgy of Zirconium.