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Tesis

Dilatometría del sistema Zr-H

2005



Título Dilatometría del sistema Zr-H
Nombre Fagundez, Cintia Paola
Ingeniera Química Universidad Nacional de Misiones Argentina
Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM
Directores Dr. Banchik Abraham David. CNEA
Dr. Vizcaino Pablo.
. CNEA Centro Atómico Ezeiza
Fecha Defensa 29/08/2005
Jurado

Código Código IT IT/T--97/05

Resumen

Las aleaciones de base circonio se utilizan para la fabricación de componentes estructurales internos de reactores nucleares de potencia. Debido a las severas condiciones de operación, las propiedades mecánicas de estos materiales se degradan paulatinamente. La irradiación neutrónica y la oxidación del metal en contacto con el agua refrigerante, con la consiguiente incorporación de hidrógeno al mismo, son los procesos que más fuertemente actúan en detrimento de dichas propiedades. Quizás uno de los fenómenos más notables que se han observado en estos componentes son los cambios dimensionales que sufren a lo largo de su vida en servicio. Tanto la irradiación neutrónica como la incorporación de hidrógeno y el creep son responsables de estos cambios. En componentes no sometidos a tensiones como los canales de enfriamiento de la CNA-1, los dos primeros factores son los únicos responsables de dichos cambios dimensionales. En este contexto y en el marco de un programa de evaluación de los efectos de la incorporación de hidrógeno y la radiación neutrónica en las aleaciones de circonio, que se lleva adelante en el LMFAE, en el presente trabajo de tesis se ha propuesto como objetivo determinar las curvas de disolución y precipitación del hidrógeno en Zircaloy-4. Esta tarea se ha llevado a cabo utilizando la técnica de dilatometría diferencial, que resultó especialmente apropiada para alcanzar un segundo objetivo de índole tecnológica: conocer el efecto de la incorporación de hidrógeno y la precipitación de hidruros en el cambio dimensional experimentado por los canales de enfriamiento de la CNA-1. Con fines comparativos y de calibración de la técnica dilatométrica, las curvas de disolución y precipitación se determinaron también con la técnica de calorimetría diferencial de barrido (DSC). Las mediciones se realizaron en un rango de concentraciones de hidrógeno de 50 a 650 ppm. Los datos obtenidos con estas dos técnicas muestran un buen acuerdo entre sí y también con los valores reportados en la literatura, constituyendo un aporte al conocimiento preciso de la línea de solvus y del proceso de precipitación a través de modernas técnicas de análisis térmico. Por otra parte la técnica dilatométrica ha permitido diferenciar el cambio dimensional que produce el hidrógeno en solución sólida del producido por un contenido hidrógeno equivalente precipitado como hidruro. Esto constituye un avance importante desde el punto de vista tecnológico, ya que a la temperatura de operación del reactor (300 grados C), hasta 90 ppm de hidrógeno pueden encontrarse en solución sólida, mientras que si se excede esa concentración se tendrán dos fases en el metal, alfaZr + deltaZrH2-x. Con la información obtenida se estima que el crecimiento que sufre un canal de enfriamiento de la CNA-1, de 5,3 mts de longitud, para un contenido medio de 250 ppm es de 3,5 mm. Dado que la relación observada entre el contenido de hidrógeno y la expansión es lineal, para 1000 ppm (concentración en el límite de lo aceptable para dichos canales) se espera un crecimiento de unos 14 mm. La pendiente de crecimiento obtenida a partir de los datos experimentales indica una expansión de 2,7 x 10-4 por ciento por cada ppm que se incorpora al metal.

Complete Title

Abstract

The zirconium-based alloys are the reference materials for the fabrication of the structural components for the nuclear power reactors. That is because zirconium has a very low neutron absorption coefficient for thermal neutrons, good corrosion resistance to water at high temperature and acceptable mechanical strength. However, as the operation time increases those material properties gradually degrades. With the operation time the accumulated neutron flux reduces the zirconium ductility and changes the shape of the component and its dimensions. In addition, the corrosion reaction between the metal and the aqueous media release hydrogen atoms, part of which is incorporated into the metal matrix, adding to the increase of dimensions and the chances for hydrogen embrittlement. As part of the Post- Evaluation Program of the degradation effects of the Zr based components of the CAN-1 cooling channels the objective of the present thesis work was to determine the dissolution and precipitation curves of hydrogen in Zircaloy-4. This task was carried on using a differential dilatometric technique, which was particularly convenient to reach a second technologically like objective: knowing the effects of the hydrogen pick up and hydride precipitation on the dimensional changes in which undergo the CAN-1 cooling channels. For comparison proposes and with the aim of obtaining a good calibration reference for the technique, the dissolution and precipitation curves were determined also by differential scanning calorimetry (DSC). The measurements were made in a concentration range from 50 to 6850 ppm. The data obtained with these techniques shown a good self-agreement and with the data reported in the literature, being a good contribution to the accurate knowledge of the solvus region and the precipitation process throughout the modern thermal analytical techniques. On the other hand, dilatometry allows the differentiation of the dimensional changes produced by the hydrogen in solid solution from that precipitated as hydrides. This means an important advance from a technological point of view, since at the reactor operating temperature (300 C degrees), up to 90 ppm could be in solid solution and the rest, if the hydrogen concentration exceeds this value, will be precipitated as hydrides in the alphZr matrix. Based on the obtained data, an axial growth of 3,5 mm was estimated for a cooling channel of 5,3 mts long of the CAN-1 reactor, with a hydrogen average content of 250 ppm. Since the observed relation between axial expansion and hydrogen content is linear, a growth of 14 mm is expected for a material with 1000 ppm, which is the upper acceptance limit for these channels. The growing slope per ppm obtained from the experimental data is 2,7 x 10-4 per cent per ppm incorporated into the metal.

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