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Tesis

Caracterización microestructural de la Zona de Interacción crecida por Interdifusión entre aleaciones Al-Si y la aleación U-9 % en peso Mo

2012



Tesista Gabriela Belén FIGALLO
Ingeniera Industrial - Universidad Nacional de Rosario - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dr. Sergio ARICÓ.  CNEA, UNSAM - Argentina
Dra. Marcela MIRANDOU.  CNEA - Argentina
Gerencia Materiales - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 10/08/2012
Jurado Dra. Carolina CORVALÁN MOYA.  CNEA, CONICET - Argentina
Dr. Rubén GONZÁLEZ.  CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Luis GRIBAUDO.  CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Código IS/T 134/12

Título completo

Caracterización microestructural de la Zona de Interacción crecida por Interdifusión entre aleaciones Al-Si y la aleación U-9 % en peso Mo

Resumen

Las aleaciones U(Mo) se encuentran actualmente en proceso de calificación para ser utilizadas como combustibles en reactores de investigación de alto flujo neutrónico. Su densidad permitiría satisfacer el requerimiento de bajo enriquecimiento propuesto por el programa internacional RERTR. En un combustible disperso, las partículas de U(Mo) se mezclan y compactan con partículas de Al o aleación de Al generándose entre ellas una zona de interacción (ZI) debido a la temperatura involucrada en la fabricación y a la radiación. Los resultados de los ensayos de irradiación demostraron que, cuando se utiliza Al puro como matriz, estas ZI presentan un mal comportamiento bajo irradiación que conduce a la falla catastrófica de la placa. Estos mismos ensayos evidenciaron que el agregado de Si a la matriz de Al introduce importantes mejoras en el comportamiento de esta ZI. Resulta de sumo interés el estudio de las mismas fuera y dentro de reactor. Desde el año 2002, tanto en el ámbito nacional como internacional, se han estudiado y caracterizado pares de difusión entre aleaciones U(Mo) y aleaciones comerciales de Al(Si) utilizando diversos métodos de fabricación. Del conjunto de resultados presentados se desprende, como una problemática, la dificultad de compararlos debido, entre otros, a la posibilidad de que ocurran transformaciones de fases en la aleación U(Mo) durante el tratamiento térmico, a la presencia de aleantes secundarios en las aleaciones comerciales Al-Si que dificultan la evaluación del efecto del Si en la ZI y al uso de dispositivos que dificultan la sistematización en la fabricación de los pares. Resulta entonces importante profundizar el estudio de la ZI sistematizando la fabricación de los pares y evaluando el efecto del Si como único aleante del Al. En el desarrollo de esta tesis se presentarán los resultados de las ZI crecidas por interdifusión entre una aleación U-8.23 % en peso de Mo y dos aleaciones binarias Al-Si (4 y 7.1 % en peso de Si) tratadas térmicamente a 550 ºC durante 3 h. Dentro de ambas ZI se destaca una importante acumulación de Si estando las mismas formadas por la fase U(Al,Si)3 con concentraciones de Si de 30 y 35 % at. respectivamente y una segunda fase más rica en Si cuya estructura cristalina no pudo ser identificada. Se detallarán además los resultados de las primeras etapas del desarrollo de un nuevo dispositivo para la fabricación de pares de difusión. Las técnicas de caracterización utilizadas fueron microscopía óptica y electrónica de barrido, microanálisis dispersivo en energía y longitud de onda y difracción de rayos x.

Complete Title

Characterization of the interaction layer grown by interdiffusion between U-9 wt% Mo alloy and Al-Si alloys

Abstract

The qualification of U(Mo) alloys as high density fuels is in progress to allow their use in high flux research reactors. They have the proper density to fulfill the requirements of low enrichment proposed by the RERTR international program. During the fabrication of dispersion type fuel elements, U(Mo) particles are mixed with particles of Al or Al alloys to form the meat. The temperature involved during fabrication and irradiation effects induce the formation of an interaction layer (IL) surrounding the U(Mo) particles. Irradiation experiments have shown that, when pure Al is used, the IL has a bad performance under irradiation leading to a catastrophic failure. These experiments have also demonstrated that additions of Si to the Al introduce changes in the IL that improve its behavior. As a consequence, in the frame of the qualification process of U(Mo) alloys, it is very important to study this IL either out of pile or under irradiation. Since 2002, out of pile diffusion experiments between U(Mo) and commercial Al(Si) alloys have been conducted in different laboratories involving a variety of alloys and devices to make the diffusion couples. The analysis of the whole set of results have shown that comparisons are difficult to performed. The reasons for this are, among others, the possibility that phase transformation of U(Mo) alloy had occurred during the diffusion anneal, the potential influence of other elements, besides Si, present in commercial Al(Si) alloys and the use of devices that do not allow systematization during the fabrication of the diffusion couple. From the statements mentioned above it is very important to go deeper in the study of the IL. In this sense systematization is mandatory when comparison between different diffusion couples is needed and binary Al(Si) alloys should be fabricated when the single effect of Si wants the be evaluated. In this thesis the results for the IL grown in out of pile interdiffusion experiments between U-8.23 wt% Mo alloy and two binary Al(Si) alloys (4 and 7.1 wt. % Si) are presented. The experiments were conducted at 550 ºC during 3 h. Both IL were found to be formed by U(Al,Si)3 with 30 and 35 at. % Si, respectively, and a second phase with higher Si concentration which crystalline structure could not be identified. Results of the first steps in the development of the new device designed to systematize the fabrication of diffusion couples are also presented. Characterizations techniques used in this work were optical and scanning electron microscopy, energy and wavelength dispersive spectroscopy and x-ray diffraction.

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