ES2204182T5 - Aleacion basada en circonio y componente en una planta de energia nuclear. - Google Patents
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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, siendo dicha aleación como se
define en la reivindicación 1. 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 forma de 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 forma de 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 forma de 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 forma de 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 forma de 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.
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:
- 0,65-0,85% en peso de Sn,
- 0,3-0,6% en peso de Fe,
- 0-0,2% en peso de Ni,
- 0,5-1,6% en peso de Nb y el resto, circonio.
\vskip1.000000\baselineskip
El contenido de Ni se encuentra preferiblemente
dentro del intervalo del 0,05% al 0,2% en peso.
De acuerdo con una forma de realización de la
invención, la aleación comprende del 0,65% al 1,6% en peso de
Nb.
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} 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.
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\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
(Tabla pasa a página
siguiente)
\newpage
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:
Si y O pueden existir en contenidos donde Si es
50-120 ppm y O es 500-1600 ppm.
Claims (10)
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 a 2, en la que el contenido total de Nb y
Sn es mayor o igual al 1,15% en peso.
4. Uso de una aleación basada en circonio según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, 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.
5. Uso de una aleación basada en circonio según
la reivindicación 4, en el que dicho componente constituya una
parte de la unidad de combustible.
6. Componente de una planta de energía nuclear
que comprende una aleación según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 3.
7. Componente según la reivindicación 6, en el
que dicho componente constituye una parte de la unidad de
combustible.
8. Componente según la reivindicación 6 ó 7, en
el que dicho componente define un tubo de revestimiento para el
combustible nuclear.
9. Componente según la reivindicación 8, 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.
10. Componente según la reivindicación 9, 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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