水素化ジルコニウム

ジルコニウム水素化物は、式 ZrH _{xで表される}合金を指します。これらは、暗灰色から黒色の金属粉末です。^{[ 1 ]}これらの合金は、電気伝導性および磁気特性（常磁性）に関して、通常の金属と同様の挙動を示します。^{[ 2 ]}他の金属水素化物と同様に、ジルコニウム水素化物の異なる結晶相はギリシャ文字でラベル付けされ、α は金属用に予約されています。

既知の ZrH _x相は γ ( x = 1 )、δ ( x = 1.5–1.65 )、および ε ( x = 1.75–2 ) です。多くの場合、サンプルは混合物です。x = 0.8–1.5の組成は通常、α、γ、δ 相の混合物を含み、x = 1.65–1.75 では δ 相と ε 相が共存します。xの増加に伴い、δ-Zr と ε-Zr の間の遷移は、面心立方δ (蛍石型) 格子から面心正方 ε 格子への段階的な歪みとして観察されます。この歪みは、ビッカース硬度の急速な低下を伴い、 x < 1.6では 260 HV で一定、1.6 < x < 1.75 では 160 HV まで直線的に低下し、1.75 < x < 2.0では約 160 HV で安定します。^{[ 3 ]}この硬度の低下は、磁化率の低下を伴います。^{[ 4 ] [ 5 ]}質量密度は、水素含有量の増加に伴って異なる挙動を示します。x = 0–1.6では6.52 g /cm 3 から 5.66 g/cm ^{3まで直線的に低下し、} x = 1.6–2.0ではほとんど変化しません。 ^{[ 6 ]}ジルコニウム-水素系は、α-ジルコニウムにおいて温度依存の溶解度限界を示します。水素濃度がこれらの限界値（末端固溶度と呼ばれる）を超えると^{[ 7 ]}、ジルコニウム水素化物相が析出し、Zr-H状態図に示されている^{[ 8 ] 。}

水素は硬化剤として働き、ジルコニウム原子の結晶格子内の転位が互いに滑り合うのを防ぎます。水素の量と、ジルコニウム水素化物（析出相）における水素の存在形態を変化させることで、得られるジルコニウム水素化物の硬度、延性、引張強度などの特性を制御できます。水素含有量を増やしたジルコニウム水素化物は、ジルコニウムよりも硬く強くすることができますが、同時に延性はジルコニウムよりも劣ります。

水素化ジルコニウムの密度は水素によって異なり、5.56～6.52 g cm ⁻³の範囲である。

水素化ジルコニウムを構成する狭い濃度範囲においても、水素とジルコニウムの混合物は、それぞれ異なる特性を持つ様々な構造を形成する可能性がある。室温では、α-ジルコニウムは550℃で0.069重量％を超える水素を溶解しない。β-ジルコニウムは、900 ℃ 以上で1.2％以上の水素を溶解できるなど、はるかに多くの水素を溶解することができる。 

ジルコニウム水素化物は、金属と水素ガスの相互作用によって形成される。ジルコニウムに吸収された水素は金属格子内を拡散し、水素化物相として析出する前に材料内で再分布することができる。^{[ 10 ]}この反応は室温でも起こるが、均一なバルク水素化は通常、 数時間から数週間の間、400～600℃の温度でアニーリングすることによって達成される。^{[ 4 ]}

室温では、ジルコニウム水素化物は空気中で急速に酸化します。形成されたナノメートル厚の酸化物層は、材料への酸素の拡散を阻害するため、酸化による組成の変化は通常無視できます。しかし、温度の上昇に伴い、酸化はバルクのより深い部分まで進行します。^{[ 2 ]}水素は、ZrとHの電気陰性度の差により陰イオンです。^{[ 11 ]}薄膜として作製すると、結晶構造が改善され、表面酸化が最小限に抑えられます。^{[ 12 ]}

ジルコニウム水素化物はフッ化水素酸に溶解する。^{[ 1 ]}

ジルコニウム水素化物の生成は、2011年の東北地方太平洋沖地震と津波による一連の爆発に見舞われた沸騰水型原子炉福島第一・第二号など、いくつかのタイプの原子炉の運転において重要な要素である。これらの原子炉のウラン燃料ペレットは、ジルカロイ製の金属棒で覆われている。ジルカロイは、通常約98.25%のジルコニウムと1.5%のスズ、および少量の他の金属からなる合金である。ジルカロイは、熱中性子の吸収断面積が小さく、ジルコニウムを含むほとんどの金属よりも優れた機械的特性と耐食性を持つため使用されている。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}棒は流れる水によって冷却され、水は徐々にジルコニウムを酸化し、水素を放出する。福島第一原子炉では、津波により原子炉冷却システムが故障した。その結果生じた温度上昇は化学反応を加速させ、大量の水素を蓄積させ、ガスが大気中に放出された際に酸素と反応して爆発した。^{[ 16 ]}

通常運転では、ほとんどの水素は原子炉システム内で安全に中和されますが、5～20%の割合でジルカロイ棒に拡散し、ジルコニウム水素化物を形成します。^{[ 13 ]}このプロセスにより、水素化物は金属よりも硬度と延性が低いため、棒の機械的強度が低下します。ジルコニウムに溶解できる水素はわずか数パーセントです。過剰な水素は、ジルカロイを弱める空隙を形成します。^{[ 15 ]}ジルカロイの中で、ジルカロイ-4は水素ブリスタリングに対して最も感受性が低いです。^{[ 13 ]}

また、ゼネラル・アトミックス社が開発したTRIGA研究炉やソ連のTOPAZ原子炉などの熱スペクトル原子炉の中性子減速材としても使用されています。 0.14 eVを超える中性子エネルギーでは、元素水素（最もよく知られている物質）と同様に原子炉の減速に効果的ですが、密度がはるかに高いため、単位体積あたりの出力が高いコンパクトな原子炉が可能になります。 0.14 eV未満のエネルギーでは、ほとんどすべての減速を妨げる中性子共鳴があります。 ジルコニウム重水素は、中性子吸収断面積が非中性子水素よりも小さいため、原子炉内の中性子吸収が減少し、より優れています。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

純粋な粉末として、ジルコニウム水素化物は、粉末冶金における水素化触媒、および真空管産業におけるゲッターとして使用されます。^{[ 1 ]}真空システムでは、ジルコニウム水素化物は金属とセラミックの間にシールを形成するのに役立ちます。この方法では、水素化物粉末をシール金属と混合し、混合物を加熱すると水素化物が分解します。発生した水素が周囲を浄化し、生成された金属が流れて、300  ℃という低温でもシールを形成します。^{[ 20 ]}

ZrH₂_は、粉末冶金において水素化触媒として、また金属発泡体の製造において還元剤、真空管ゲッター、発泡剤として使用される。その他の用途としては、火工組成物、特に火工品の点火剤における燃料としての役割が挙げられる。

ジルコニウム(II)ジヒドリド(ZrH ₂ )は捉えどころのない分子種である。レーザーアブレーションによって生成され、低温で観測されている。^{[ 22 ]}

水素化ジルコニウム(II)は、原子炉の熱中性子減速材として、また高速炉の中性子反射材として使用されている。^{[ 23 ]}

粉末状のジルコニウム(II)水素化物は、粉末冶金において水素化触媒、真空管ゲッター、金属フォーム製造における発泡剤、還元剤として使用される。^{[ 23 ]}

ジルコニウム水素化物は空気に触れると可燃性であり、熱、火、火花にさらされると発火して爆発する可能性があります。ジルコニウム水素化物は水、酸、酸化剤、またはハロゲン化合物と激しく反応する可能性があります。^{[ 1 ]}

• Googleブックスで「原子力産業におけるジルコニウム」という専門会議を検索した結果