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Tesis

Estudio de oxidación de placas de aluminio de elementos combustibles nucleares de reactores experimentales

2020



Nombre

Dennis VALDEZ TORDOYA
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina

Directores

Lic. Roberto Elias Haddad Andalaf, CNEA - Argentina

Lugar de realización

 

Fecha Defensa02/04/2020
JuradoDr. Mauricio Chocron, CNEA - Argentina
Ing. Carlos Gómez Constenia, INVAP - Argentina
Dra. Liliana Lanzani, CNEA, UNSAM - Argentina
CódigoITS/TM 210/20

Título completo

Estudio de oxidación de placas de aluminio de elementos combustibles nucleares de reactores experimentales

Resumen

En los combustibles de reactores nucleares experimentales (RI) -particularmente en los existentes o en construcción en Argentina- el material nuclear se encuentra incluido dentro de una vaina de aleación de aluminio. La oxidación de ésta es uno de los factores limitantes en su funcionamiento, principalmente en aquellos de alto flujo. Como resultado del proceso corrosivo se produce un crecimiento paulatino del óxido de aluminio sobre la superficie del metal, el cual al ser un aislante térmico, dificulta la transferencia de calor dentro del reactor. Esto genera un incremento de la temperatura interna de las placas, que puede provocar deformación indeseable de las mismas, así como también algunas formas de degradación del aluminio que pueden llegar a ocasionar el deterioro del poder de contención y por lo tanto la liberación de productos de fisión al refrigerante. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta esta circunstancia al momento del diseño de los combustibles nucleares.
En el presente trabajo se estudió la cinética de crecimiento del óxido de aluminio en condiciones termo-hidráulicas similares a las de un RI. Para tal fin se empleó un doble circuito experimental cerrado, denominado “Loop de Oxidación”, el cual puede alcanzar flujos calóricos comparables a los de este tipo de reactores.
Se estudia y discute la influencia sobre la oxidación de dos parámetros presentes en el funcionamiento de un RI: gradiente de temperatura a través del film de óxido y flujo másico de oxígeno disuelto en el agua refrigerante; también se evalúa el efecto que producen las paradas de operación.
Para el primer caso se realizaron ensayos comparativos de oxidación en el Loop y en otro sistema donde no existe gradiente de temperatura; para ello se empleó una autoclave rotatoria, obteniéndose que la oxidación en este último sistema es un orden de magnitud menor que aquél con gradiente de temperatura.
Para estudiar el segundo efecto, se realizó una serie de ensayos en el Loop pero sin gradiente de temperatura, modificando la velocidad de circulación, temperatura y el contenido de oxígeno disuelto en el refrigerante; se observa que la oxidación aumenta con el flujo másico de oxígeno.
Finalmente, se comparó la oxidación de placas ensayadas por periodos iguales, pero donde unas fueron expuestas en forma continua, mientras que con otras se efectuaron interrupciones intermedias; se observó que -para aquellas placas expuestas con paradas intermedias- existe un tiempo de incubación posterior a la parada, luego de la cual se restablece la velocidad de oxidación anterior.
Adicionalmente, con el propósito de comenzar con el estudio del mecanismo de formación del óxido de aluminio, se realizaron ensayos de oxidación a temperatura de laboratorio, donde se buscó conocer el efecto de la posición (vertical u horizontal) de las probetas durante la oxidación. También, se realizaron ensayos de exposición de probetas a agua circulante a diversas velocidades, a temperatura ambiente; se encontró que en tales condiciones la convección inhibe la formación de la película de óxido.

Palabras claves: Reactores Nucleares de Investigación, Oxidación de Aluminio, Combustibles tipo placa, Gradiente Térmico, Flujo Másico de Oxígeno.

Complete Title

Oxidation study of aluminum plates of nuclear fuel elements of experimental reactors

Abstract

In most Experimental or Research Reactors (RR) –particular in those existing or in construction in Argentina- the nuclear fuel is composed of fuel plates where the fissile material is enclosed into an aluminum alloy clad. Plate oxidation is one of the limiting factors in their operation, mainly for those of higher flux. As a consequence of the corrosive process, a poor thermal conductor aluminum oxide grows on the plate´s surfaces, hampering heat transfer, what gives place to an increasing internal plate temperature. This situation may stimulate various degradation mechanisms, deteriorating the contention capacity of the plates and rising the risk of loss of the nuclear material and fission products to the coolant. For this reasons, it is very important to take into account this effect in the fuel and reactor design.
In the present work, the aluminum oxidation kinetics was studied in thermos-hydraulic conditions similar to those of an RR. In order to do so, an experimental closed double circuit was used, named “Oxidation Loop”, capable of producing heat flux values similar to those transferred in the reactors.
The influences of the temperature gradient through the oxide film and the oxygen mass flow through the coolant are discussed. Also, the effect of periodic reactor shutdowns is evaluated.
For the first purpose, comparative oxidations tests were carried out in the Oxidation Loop an in a rotating autoclave (no temperature gradient). The produced oxidation was one order of magnitude larger in the first device. As for the second, a series of experiments were performed in the Loop, but without heat transfer, changing in each case the test temperature, the coolant oxygen content and its velocity. Oxidation is found to increase with the oxygen mass flow. Finally, another set of tests were carried out, some continuously and some including intermediate interruptions, finding that –if the plates are dried between test- there is an incubation time for the oxidation to restart.
With the purpose of studying the oxidation mechanism, additional tests were conducted at room temperature, exposing aluminum plates to water circulating at different speeds and in different positions (vertical or horizontal). It was found that convections inhibits the formation of a thick oxide layer.

Keywords: Research Reactor, Aluminum Oxidation, Plate type-Fuel, Thermal Gradient, Oxygen Mass Flow.

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