ES2204182T3 - Aleacion basada en circonio y componente en una planta de energia nuclear. - Google Patents
Aleacion basada en circonio y componente en una planta de energia nuclear.Info
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Abstract
Aleación basada en circonio, adecuada para su uso en un entorno corrosivo, donde se somete a un aumento de radiación, en la que la aleación comprende del 0, 5% al 1, 6% en peso de Nb, del 0, 3% al 0, 6% en peso de Fe, del 0, 65% al 0, 85% en peso de Sn, opcionalmente del 0, 0050% al 0, 0120% en peso de Si, opcionalmente del 0, 050% al 0, 160% en peso de O, siendo el resto Zr y unos contenidos de impurezas normales para circonio de calidad para el reactor.
Description
Aleación basada en circonio y componente en una
planta de energía nuclear.
La presente invención se refiere a una aleación
basada en circonio, adecuada para el uso en un entorno corrosivo
donde es sometida a un aumento de radiación y que contiene del 0,5%
al 1,6% en peso de Nb y del 0,3% al 0,6% en peso de Fe. La invención
se refiere asimismo a un componente de una planta de energía
nuclear, que comprende una aleación del tipo mencionado.
De acuerdo con la técnica anterior, es conocido
proporcionar en una planta de energía nuclear un componente que
comprende una aleación basada en circonio del tipo mencionado
anteriormente. Tal aleación tiene la ventaja de satisfacer los
requisitos necesarios sobre las propiedades mecánicas y también de
corrosión que en un entorno corrosivo están sujetas a una mayor
radiación, en particular la radiación de neutrones del tipo de
neutrones rápidos.
Gracias a su contenido relativamente alto en Fe,
es posible a través de un tratamiento adecuado con calor, que
consiste en el templado y neutralización, obtener unas partículas de
fase secundaria que contienen Zr, Fe y Nb en una matriz de fase
\alpha de la aleación basada en circonio. Con la elección adecuada
de las variables tiempo y temperatura del tratamiento con calor es
posible, además, con el contenido dado de los materiales que se
incluyen para formar la aleación Nb y Fe, controlar el tamaño y la
distribución de las partículas de fase secundaria. Las partículas de
la fase secundaria pueden tener un efecto positivo sobre la
resistencia a la corrosión de la aleación. Por lo tanto, es
importante optimizar la distribución de las partículas existentes de
fase secundaria y su tamaño, y más importante aún, encontrar una
composición adecuada de los elementos que forman la aleación
incluidos en ella.
El documento US 5.560.790 describe una aleación
basada en circonio que comprende del 0,5% al 1,5% en peso de Nb, del
0,9% al 1,5% en peso de Sn y del 0,3% al 0,6% en peso de Fe. Además,
esta aleación contiene del 0,005% al 0,2% en peso de Cr, del 0,005%
al 0,04% en peso de C, del 0,05% al 0,15% en peso de O, del 0,005%
al 0,15% en peso de Si y el resto, Zr. De esta manera, se consigue
una microestructura en el material que incluye partículas de la
clase Zr(Nb, Fe)_{2}, Zr(Nb, Cr, Fe) y (Zr,
Nb)_{3}Fe. Estas partículas de fase secundaria imparten al
material unas buenas propiedades de corrosión y unas buenas
propiedades mecánicas. Gracias a su alto contenido en Fe se evita la
precipitación de Nb en la fase \beta, que tendría una influencia
negativa sobre la resistencia del material contra los ataques de
corrosión local.
Se afirma que el Sn tiene una alta solubilidad en
la fase \alpha y que, por tanto, cuando está presente en una
cantidad dada se disolverá en la fase \alpha y contribuirá a
mejorar las propiedades de corrosión y las propiedades mecánicas de
la misma. Se ha señalado que un contenido demasiado bajo de Sn (por
debajo del 0,9% en peso) en el material influye en la fuerza tensora
del mismo, tanto a corto como a largo plazo. Además, un contenido
bajo de Sn suprime en menor grado el efecto negativo de una posible
incorporación de nitrógeno sobre la resistencia a la corrosión del
material. Un contenido de Sn por encima del 1,5% en peso influye en
la susceptibilidad del material ante la carga de trabajo y, en
particular, ante la carga de trabajo en frío.
Se ha mencionado que el Si y el C contribuyen a
reducir el tamaño de las partículas e inducen una homogeneidad
estructural en el material.
Se afirma que el oxígeno contribuye a que la
estructura del material sea más fina y también se usa como un medio
de reforzar el material a través de una solución de sólidos, lo que
se conoce como un "reforzador de la solución de sólidos".
Se afirma que el Nb contribuye a reforzar las
propiedades del Zr y aumenta la resistencia a la corrosión de la
aleación al formar partículas de fase secundaria junto a Zr y
Fe.
Asimismo, se ha señalado que con un contenido de
Nb por debajo del 0,5% en peso del material, un contenido de Fe por
debajo del 0,3% en peso y un contenido de Cr por debajo del 0,005%
en peso, la porción total de partículas de la fase secundaria de la
clase mencionada anteriormente en una matriz \alpha de circonio
del producto final es considerablemente menor del 60% en volumen con
respecto a la cantidad total de partículas de fase secundaria que
contienen hierro, lo que provoca que la resistencia a la corrosión
del material se afecte negativamente. Con un contenido de Nb por
encima del 1,5% en peso, se forma en el material un número grande de
partículas de gran tamaño de fase R-Nb, lo que
también reduce la resistencia a la corrosión del mismo.
También se ha mencionado que un contenido de Cr
por encima del 0,2% en peso puede dar lugar a la formación de
compuestos intermetálicos binarios de Zr-Cr, lo que
tienen una influencia contraria, es decir, negativa, sobre la carga
de trabajo y la resistencia del material a la tensión.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar una aleación basada en circonio con una composición tal
que la distribución y el tamaño de partículas de fase secundaria en
la aleación, la clase de partículas de fase secundaria y el
contenido de los distintos elementos que forman la aleación en la
fase \alpha de la misma son tales que se optimizan las propiedades
físicas y mecánicas de la aleación, así como sus propiedades de
corrosión. En particular, se debe optimizar en las propiedades una
aplicación en la cual la aleación está sometida a un aumento de
radiación del tipo de neutrones rápidos en un entorno corrosivo,
como es el núcleo del reactor de una planta de energía nuclear. En
particular, se intenta mejorar las propiedades de corrosión de la
aleación con respecto a las propiedades de corrosión de las
aleaciones mencionadas anteriormente, de conformidad con la técnica
anterior.
Este objetivo se consigue mediante una aleación
de la clase definida inicialmente, cuya aleación se caracteriza
porque comprende del 0,65% al 0,85% en peso de Sn. Esta elección del
contenido de Sn se opone a la que, de conformidad con la técnica
anterior, se encuentra en el intervalo preferido del contenido de
Sn. No obstante, el solicitante ha encontrado que las propiedades de
corrosión mejoradas, en particular en el entorno como es el caso del
núcleo del reactor de una planta de energía nuclear, se pueden
conseguir en la aleación basada en circonio mediante una cuidadosa
elección del contenido de Sn dentro del intervalo definido.
En consecuencia, un intervalo del contenido de Sn
sería del 0,65% al 0,85% en peso con el objetivo de conseguir unas
propiedades de corrosión tan satisfactorias en la aleación como sea
posible bajo las demás condiciones dadas.
Según una realización preferida, la aleación
contiene hasta un 0,2% en peso de Ni, por lo que se pueden obtener
en la aleación partículas de fase secundaria que contienen Zr, Ni y
Fe. Tales partículas de fase secundaria contribuyen a unas mejores
propiedades de corrosión de la aleación y tienen una buena
estabilidad bajo la radiación de neutrones.
Según otra realización preferida adicional, la
aleación contiene hasta un 0,6% en peso de Cr, que es más del máximo
del 0,2% en peso que se ha recomendado con anterioridad con respecto
a la formación de compuestos intermetálicos binarios de Cr y Zr. No
obstante, teniendo en cuenta el resto de la composición que tiene la
aleación de acuerdo a la invención, puede permitirse un contenido de
hasta el 0,6% en peso de Cr para mejorar las propiedades de
corrosión de la misma sin que la aleación que se obtiene de esa
manera tenga unas propiedades mecánicas considerablemente peores,
como sería una resistencia a la tensión deteriorada. A diferencia de
lo habitual en este campo, la presente invención sugiere en
consecuencia una aleación basada en circonio con un contenido de Cr
por encima del 0,2% en peso, hasta un 0,6% en peso.
Según todavía otra realización preferida, el
contenido total de Nb y Sn es mayor o igual al 1,15% en peso. Tal
contenido total de Nb y Sn contribuye a las propiedades mecánicas
mejoradas de la aleación.
Los requerimientos sobre las propiedades
mecánicas y propiedades de corrosión que finalmente se exijan en la
aleación dependen de la aplicación para la cual se usará ésta. Según
una realización preferida de la invención, la aleación constituye al
menos una parte de un componente en una planta de energía nuclear.
El componente se distribuye preferiblemente dentro del área del
núcleo del reactor y constituye, de acuerdo a una realización
preferida más, una parte de la unidad de combustible. En una
aplicación de este tipo, se exigirán al menos requerimientos altos
sobre las propiedades de corrosión de la aleación. Dependiendo del
grado en que el componente tenga una función de soporte, también se
exigirán requerimientos específicos sobre las propiedades mecánicas
de la aleación. Una aleación de la clase que se sugiere en esta
invención es en particular adecuada para constituir al menos una
parte del tubo de revestimiento, un espaciador o una caja.
Otro objetivo de la invención es proporcionar un
componente en una planta de energía nuclear, presentando dicho
componente en particular unas propiedades de corrosión
satisfactorias con respecto a las condiciones específicas que se
pueden asumir en el caso de una planta de energía nuclear, en
particular en el área del núcleo de la misma, donde el componente
está sujeto a un aumento de radiación de la clase de neutrones
rápidos, en un entorno corrosivo, por ejemplo, rodeada de un medio
corrosivo como es el agua.
Este objetivo se alcanza mediante un componente
de la clase definida inicialmente, que contiene una aleación de
acuerdo a la invención.
Según una realización preferida, el componente
constituye una parte de una unidad de combustible, es decir, se
distribuye en la zona del núcleo del reactor. Por lo tanto, se
exigen unos requerimientos específicos en relación con sus
propiedades de corrosión en el entorno de un aumento de radiación y
un medio corrosivo al que está sujeto. En consecuencia, es muy
importante utilizar una elección de una aleación a base de circonio
con una composición adecuada.
Según una realización preferida adicional, el
componente define un tubo de revestimiento. En ese caso, también se
requieren unas propiedades mecánicas específicas del componente, que
cumple la aleación de acuerdo a la invención.
Según otra realización preferida, al menos una
parte de la circunferencia interna del tubo de revestimiento
contiene una capa de un material que es más dúctil que la aleación
de acuerdo a la invención. El tubo de revestimiento es de esta forma
menos sensible al contacto directo con el combustible en esas capas.
El riesgo de formación de grietas en el tubo de revestimiento en las
zonas en las que entra en contracto directo con el combustible y
está sujeto posiblemente al desgaste causado por aquél se reduce en
unas condiciones en las que se distribuye la capa de un material más
dúctil en esas áreas, lo que preferiblemente es nuestro caso. Dicha
capa contiene aquí una aleación basada en circonio con un contenido
total de materiales que forman la aleación que no supera el 0,5% en
peso.
Otras ventajas y características de la aleación
según la invención y del componente, respectivamente, resultarán
evidentes a partir de la siguiente descripción detallada.
Un componente distribuido en una planta de
energía nuclear, más precisamente en la zona del núcleo del reactor,
está sujeto a un aumento de radiación del tipo de neutrones rápidos
en un entorno corrosivo. El reactor puede ser un reactor de agua a
presión o de agua hirviendo. El componente forma parte de la unidad
del combustible. En este ejemplo, el componente es un tubo de
revestimiento dispuesto de forma que contiene el combustible del
reactor.
El componente contiene una aleación basada en
circonio que tiene la siguiente composición:
0,5-0,85% en peso de Sn,
0,3-0,6% en peso de Fe,
0-0,6% en peso de Cr,
0-0,2% en peso de Ni,
0,65-1,6% en peso de Nb y el
resto, circonio.
El contenido de Ni se encuentra preferiblemente
dentro del intervalo del 0,05% al 0,2% en peso.
De acuerdo a la invención, la aleación contiene
del 0,65% al 0,85% en peso de Sn y del 0,5% al 1,6% en peso de Nb,
encontrándose los restantes elementos dentro de los intervalos
mencionados anteriormente.
El tubo de revestimiento puede estar formado por
una barra sólida, en el centro de la cual se ha taladrado un
agujero. Además, el componente tiene, además de los templados
previos en relación con el trabajo que debe efectuar, un templado
final en la zona de la aleación de fase \beta que después se ha
neutralizado con un neutralizante \beta en la zona de la aleación
de fase \alpha.
Al templar en la zona de fase \beta se eliminan
de la aleación las estructuras groseras y otros efectos del
tratamiento previo con calor. Además, se elimina la textura
orientada que se ha obtenido durante el trabajo previo de
elaboración del tubo, por lo que se evitan las diferentes tendencias
del componente a crecer en direcciones distintas cuando se expone a
la radiación de neutrones en el núcleo.
El enfriamiento hasta la zona de fase \alpha es
tan rápido que se forma una estructura de tipo laminado de fase
\alpha en los granos previos de fase \beta. Unas láminas
\alpha cortas mejora la resistencia mecánica de la aleación.
Además en la neutralización de la zona de fase
\beta sobre la zona de fase \alpha precipitan partículas de fase
secundaria de compuestos intermetálicos como Zr(Nb,
Fe)_{2}, Zr(Fe, Cr, Nb) y (Zr, Nb)_{3}Fe,
lo que favorece unas buenas propiedades anticorrosión y mecánicas de
la aleación terminada y, por tanto, del componente. La velocidad de
neutralización debe ajustarse en consecuencia de forma que se
obtenga una distribución óptima de las partículas de fase secundaria
y una media óptima del tamaño de las partículas de la fase
secundaria. La aleación se enfría preferiblemente con una velocidad
de enfriamiento por debajo de 100ºC/segundo, preferiblemente por
debajo de 50ºC/segundo y más preferiblemente en un orden de magnitud
de 5-20ºC/segundo.
Cuando el componente, como este, es un tubo de
revestimiento, se aplica preferiblemente una capa con un contenido
total menor de elementos que forman la aleación que del resto de
componentes sobre la circunferencia interna del tubo de
revestimiento. El contenido total de materiales que forman la
aleación en esta capa es preferiblemente menor del 0,5% en peso, con
lo cual la parte restante consiste en Zr. Esta capa hace que el tubo
de revestimiento sea más resistente a la influencia mecánica del
combustible del reactor que se distribuye dentro del tubo y que
físicamente puede apoyarse en él y provocar tensiones en las paredes
del tubo de revestimiento.
Preferiblemente la aleación de acuerdo a la
invención no contiene una cantidad esencial de otros materiales que
los que se han mencionado anteriormente. No obstante, se debe
mencionar que pueden existir pequeñas cantidades de impurezas en la
aleación. Las impurezas habituales que pueden existir en las
aleaciones basadas en circonio se especifican en la Tabla siguiente.
Además, pueden existir en la aleación pequeñas cantidades de Si y O,
cuyo contenido habitual también se indica en la tabla:
| Elemento | Al | B | C | Ca | Cd | Cl | Co |
| ppm máx. | 75 | 0,5 | 270 | 30 | 0,5 | 20 | 20 |
| Elemento | Cu | H | Hf | Mg | Mn | Mo | N |
| ppm máx. | 50 | 25 | 100 | 20 | 50 | 50 | 80 |
| Elemento | Na | Pb | Si | Ti | U | ||
| ppm max. | 20 | 130 | 120 | 50 | 3,5 |
Si y O pueden existir en contenidos donde Si es
50-120 ppm y O es 500-1600 ppm.
Claims (11)
1. Aleación basada en circonio, adecuada para su
uso en un entorno corrosivo, donde se somete a un aumento de
radiación, en la que la aleación comprende del 0,5% al 1,6% en peso
de Nb, del 0,3% al 0,6% en peso de Fe, del 0,65% al 0,85% en peso de
Sn, opcionalmente del 0,0050% al 0,0120% en peso de Si,
opcionalmente del 0,050% al 0,160% en peso de O, siendo el resto Zr
y unos contenidos de impurezas normales para circonio de calidad
para el reactor.
2. Aleación basada en circonio según la
reivindicación 1, que comprende opcionalmente hasta un 0,2% en peso
de Ni, a expensas del resto de Zr.
3. Aleación basada en circonio según cualquiera
de las reivindicaciones 1 y 2, que comprende opcionalmente hasta un
0,6% en peso de Cr, a expensas del resto de Zr.
4. Aleación basada en circonio según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el contenido total de Nb y
Sn es mayor o igual al 1,15% en peso.
5. Uso de una aleación basada en circonio según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en una planta de energía
nuclear en la que la aleación constituye al menos una parte de un
componente de dicha planta de energía nuclear.
6. Uso de una aleación basada en circonio según
la reivindicación 5, en el que dicho componente constituya una parte
de la unidad de combustible.
7. Componente de una planta de energía nuclear
que comprende una aleación según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 4.
8. Componente según la reivindicación 7, en el
que dicho componente constituye una parte de la unidad de
combustible.
9. Componente según la reivindicación 7 u 8, en
el que dicho componente define un tubo de revestimiento para el
combustible nuclear.
10. Componente según la reivindicación 9, en el
que por lo menos una parte de la circunferencia interna del
componente comprende una capa de un material que es más dúctil que
dicha aleación.
11. Componente según la reivindicación 10, en el
que dicha capa comprende una aleación basada en circonio con un
contenido total de elementos formadores de la aleación que no supera
el 0,5% en peso.
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