Mecanismos de corrosión bajo tensión de circonio y aleaciones en presencia de yodo
2002
| Título | Mecanismos de corrosión bajo tensión de circonio y aleaciones en presencia de yodo |
| Nombre | Farina, Silvia Beatriz Licenciada en Física Universidad de Buenos Aires Argentina Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM Doctora en Ciencia y Tecnología, Mención Materiales UNSAM |
| Directores | Dr. Galvele José Rodolfo. CNEA Dr. Duffo Gustavo S.. . CNEA Centro Atómico Constituyentes |
| Fecha Defensa | 2002 |
| Jurado | |
| Código | IT/TD--10/02 |
Resumen
En los reactores nucleares de potencia, las vainas de elementos combustibles (fabricadas de aleaciones de circonio) sufren corrosión bajo tensión (CBT) debido a la presencia de yodo gaseoso y a la acción de tensiones mecánicas producidas por la expansión térmica de las pastillas de combustible. El mecanismo operante durante este fenómeno aún no ha sido esclarecido. Numerosos autores han estudiado la CBT de aleaciones de circonio en vapor de yodo a 300 grados C simulando las condiciones existentes en un reactor nuclear. Sin embargo algunos autores han demostrado que este fenómeno puede ser reproducido en el laboratorio a temperatura ambiente utilizando soluciones de yodo en metanol. En el presente trabajo se estudió la susceptibilidad a la CBT del circonio, Zircaloy-4 y titanio en soluciones de yodo disuelto en varios alcoholes, a efectos de determinar el mecanismo operante. Se encontró CBT en todos los sistemas estudiados y que la velocidad global de propagación de fisuras depende del tamaño de la molécula de solvente: a medida que la masa molecular del solvente se incrementa, la velocidad de propagación disminuye. Previo a la propagación de las fisuras, se encontró ataque intergranular, cuya velocidad también depende del tamaño de la molécula del solvente. Puesto que la velocidad de corrosión de monocristales de circonio fue similar en todas las soluciones ensayadas, se concluye que la disminución en la velocidad del ataque intergranular y en la velocidad de propagación de fisuras es debida a un fenómeno de impedimento estérico que dificulta el acceso de la especie agresiva a la punta de la fisura. El paso controlante en la propagación intergranular es la difusión del yodo, aunque no se ha podido establecer si este ataque es debido a la disolución química de la estructura desordenada de los límites de grano o de alguna especie segregada en ellos. Luego de que la penetración intergranular alcanza cierto valor, se produce una transición al modo de fisuración transgranular, que es el verdadero proceso de CBT. Cuando se analiza esta parte del proceso se encuentra que la velocidad de propagación de fisuras medida está en concordancia con las predicciones del mecanismo de CBT basado en la movilidad superficial.
Complete Title
Abstract
Iodine stress corrosion cracking (SCC) is usually accepted as the cause of pelletcladding interaction (PCI) failures of unlined Zircaloy cladding containing UO2 reactor fuel pellets. Mechanical/chemical pellet-clad interaction is at present the most extensively studied effect of fuel performance, however the mechanism involved during the PCI failure is still unknown. Numerous authors have studied the SCC of Zircaloy-4 in iodine vapor at 300 C degrees simulating the conditions existing in nuclear reactor fuel assemblies but some authors have shown that this phenomenon can be simulated in the laboratory at low temperatures using solutions of iodine in methanol. In the present work, the SCC susceptibility of zirconium, one of its alloys, Zircaloy-4, and another hcp metal (titanium) was studied in iodine dissolved in various alcohols in order to determine the operating mechanism. SCC was observed in all the systems studied and the overall crack propagation rate was found to vary depending on the size of the solvent molecule. As the solvent molecular weight increased, the overall crack propagation rate decreased. Preceding crack propagation, intergranular attack was found in all the solutions tested. The intergranular corrosion rate also varied with the size of the solvent molecule. Since the corrosion rate of Zr single crystals was similar in all the solutions tested, it was concluded that the decrease in both the intergranular attack rate and the crack propagation rate was due to a steric effect, that hindered the access of the corrosive species to the tip of the crack. It was found that the rate-controlling step of the intergranular propagation was the diffusion of iodine to the tip of the crack. It is not clear if the mechanism of the intergranular attack is due to some sort of chemical attack of the disrupted atomic structure along the grain boundaries, or to the anodic dissolution of an unidentified species segregated along the grain boundaries. After the intergranular penetration reached a certain value, a transition to transgranular cracking mode took place. It was concluded that the transgranular part of the cracking was the real SCC process. When analyzed this part of the process, it was found that the crack velocities measured agreed with the predictions of the surface mobility-SCC mechanism.
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