Tesis

El circonio y sus aleaciones son utilizados en la industria nuclear debido a que presentan una excelente combinación de propiedades mecánicas, alta resistencia a la corrosión y baja sección eficaz de captura de neutrones. Varios de los componentes estructurales que permanecen en servicio toda la vida útil del reactor se fabrican en base a estas aleaciones. En esta tesis, el estudio se ha enfocado en la aleación de Zr-2.5Nb, con la que se fabrican los tubos de presión de la Central Nuclear Embalse (CNE), reactor de origen Canadiense (CANDU). La corrosión del circonio en contacto con el agua pesada refrigerante libera deuterio, parte del cual ingresa al metal. El hidrógeno es uno de los factores de degradación más importantes que afecta la vida útil de estos componentes. Dentro de este contexto, en el Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio (DTC) se lleva adelante una línea de trabajo en la que se investigan los efectos de cambio dimensional de estos componentes debido a la incorporación de hidrógeno y sus isótopos. En la presente tesis, el estudio se centra específicamente en la evaluación de la expansión en las direcciones principales de los tubos de presión debido a la precipitación de hidruros y su relación con la particular microestructura del material. La técnica de referencia fue la Dilatometría Diferencial. Mediante ella se evaluaron también las expansiones por solución sólida y adicionalmente se realizaron determinaciones de las temperaturas se solubilidad terminal en disolución (TTSSd) y en precipitación (TTSSp). En este último caso se realizaron determinaciones complementarias con Calorimetría Diferencial de Barrido. Dado que el cambio dimensional depende fundamentalmente de la microestructura y la morfología de la precipitación de los hidruros, resultaron de gran ayuda las observaciones metalográficas. El material fue tomado de un anillo cortado de un tubo de presión de origen Canadiense similar a los instalados en la CNE. La microestructura de esta aleación consiste en granos laminares de fase α-Zr, con un 0.8% en peso de Nb, separados por una delgada capa de fase β-Zr, con un contenido aproximado de 20% Nb. Los ensayos se realizaron en un rango que va de temperatura ambiente a 425ºC. Se evaluaron los cambios dimensionales por precipitación de hidruros en las tres direcciones principales de un tubo de presión. De estos resultados se observó que el efecto más relevante ocurre en la dirección radial. Esto se debe a la forma de estos precipitados (plaquetas bidimensionales) y a las direcciones en las que precipitan en esta microestructura. Los cambios dimensionales en las direcciones axial y tangencial son de un orden de magnitud menor y manifiestan tendencias opuestas: expansión tangencial y contracción axial. Desde un punto de vista tecnológico sus efectos son despreciables. Por otra parte, los estudios de cambio dimensional por solución sólida del hidrógeno a la temperatura de operación del reactor (300ºC) manifiestan las mismas tendencias que el cambio dimensional por precipitación, pero en este caso los valores medidos en las tres direcciones del tubo son del mismo orden de magnitud y también de escasa significación tecnológica. En este trabajo se realiza además una comparación con resultados obtenidos en trabajos previos en Zircaloy-4 de canales de enfriamiento de Atucha I. Como resultado de estas comparaciones surge una conclusión significativa: los efectos de cambio dimensional generados por la precipitación de hidruros son anisotrópicos y dependen fuertemente de la microestructura e historia termomecánica de la aleación. Mientras que en el Zircaloy se observa un crecimiento en las direcciones axial y tangencial de la misma magnitud, en el Zr-2.5Nb el crecimiento ocurre en la dirección radial y es de mayor magnitud que en el caso de los canales a igualdad de concentraciones de hidrógeno. Por último, se realizó una comparación para ponderar el efecto del cambio dimensional por precipitación de hidruros respecto del creep térmico, que es otro de los factores de degradación que provoca cambio dimensional en estos componentes. En este trabajo se demuestra que, a concentraciones de interés tecnológico, el crecimiento en dirección radial por precipitación de hidruros puede tener hasta un 30% de incidencia en el cambio dimensional total.