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Tesis

Evaluación del cambio dimensional de tubos de presión de Zr-2.5Nb por precipitación de hidruros

2013



Tesista Carlos Sebastián VILLANUEVA
Ingeniero Químico - Escuela Superior Técnica General Savio - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dr. Pablo VIZCAINO, CNEA - Argentina
Mag. Alejandra V. FLORES, CNEA - Argentina
Lugar de realizaciónLaboratorio de Materiales para la Fabricación de Aleaciones Especiales - Planta Piloto para Fabricación de Aleaciones Especiales – Centro Atómico Ezeiza - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 28/05/2013
Jurado Dra. Ana María FORTIS, CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Ángel José MARZOCCA, FATE S.A.I.C.I., UBA - Argentina
Dr. Juan Ignacio MIEZA, CNEA, UNSAM - Argentina
Código IS/T 142/13

Título completo

Evaluación del cambio dimensional de tubos de presión de Zr-2.5Nb por precipitación de hidruros

Resumen

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.

Complete Title

Dimensional change evaluation in Zr-2.5Nb pressure tubes due to hydride precipitation

Abstract

Zirconium base alloys are used in the nuclear industry because their excellent combination of mechanical properties, corrosion resistance and low effective neutron capture cross section. Several structural components that remain in service withstand the reactor lifetime are manufactured from zirconium based alloys. The corrosion reaction between zirconium and the heavy water coolant releases deuterium, part of which enters into the metal. Hydrogen is one of the most important degradation factors which affect the lifetime of these components. A structural component of particular interest in our country is the CANDU type pressure tube. This is because the Embalse Nuclear Power Plant (CNE) installed in Cordoba since 1984 is a CANDU 600 reactor. Due to a design criterion, the alloy Zr-2.5Nb with a particular metastable microstructure is used to fabricate them. In this context, in the Zirconium Technology Department (DTC) a research line is carried forward, investigating the effects on the dimensions of these components due to the hydrogen incorporation. Thus, in the present thesis work the attention is focused on the assessment of the dimensional change in the main directions of the pressure tubes due to hydride precipitation and its relationship with its microstructure. The reference technique used for this work was differential dilatometry. We also assessed the expansions by solid solution and in addition, determinations of the temperatures of terminal solubility in dissolution (TTSSd) and in precipitation (TTSSp) were carried out. In the latter case was also incorporated in a complementary way the differential scanning calorimetry technique. Since the dimensional change basically depends on the microstructure and the hydride morphology, optical metallography help a lot in the development of the present work. The material used was taken from a cut-off of a standard Canadian pressure tube similar to those installed in the CNE. The microstructure of this alloy consists of lamellar α-Zr grains with a 0.8 % by weight of Nb, separated by a thin layer of lamellar β-Zr phase grains with an approximated Nb content of 20%. The experiments were conducted in a temperature range between room temperature and 425ºC. The hydride effect was evaluated in the three main directions of a pressure tube: radial, tangential and axial. From these results it was observed that the main effect is in the radial direction which is ought hydride morphology (bidimentional platelets) and the particular microstructure. The dimensional changes in the axial and tangential directions are an order of magnitude lower than the radial and shows opposite trends: tangential expansion and axial contraction. From a technological point of view these effects are negligible. The studies of dimensional change by hydrogen solid solution at the reactor operating temperature (300ºC) show the same trends that the dimensional shift by precipitation, but in this case, the values measured in the three main directions are of little technological significance. Also a comparison with results obtained in previous works in Zircaloy-4 cooling channels of Atucha I was made. As a result of these comparisons arises a significant conclusion: the effect of dimensional changes due to hydride precipitation is anisotropic and it strongly depends on the microstructure. While the Zircaloy channels grow in the axial and tangential directions, the pressure tubes grow in the radial direction, and in a larger magnitude at similar hydrogen concentrations. Finally, a comparison was made to ponder the effect of hydride precipitation with respect to the thermal creep, which is other factor that causes dimensional changes in these components. It is shown that at concentrations of technological interest, the growth in the radial direction due to hydride precipitation can achieve up to 30% of the total dimensional change of the component.

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