ES2249927T3 - Varilla absorbengte para conjungto de control de un reactgor nuclear. - Google Patents

Abstract

Varilla (10) absorbente que comprenda una vaina (12) de acero inoxidable cerrada por unos tapones (14, 16) también de acero inoxidable y que contiene una columna de pastillas de absorbente (24) tal como el carburo de boro, caracterizada por comprender también una barra terminal (26) de hafnio, fijada al tapón inferior (14) a través de una unión puramente mecánica.

Description

Varilla absorbente para conjunto de control de un reactor nuclear.

La presente invención se refiere a las varillas absorbentes destinadas a integrarse en unos conjuntos de varillas de control para un reactor nuclear. Esta invención es especialmente utilizable en los reactores moderados y refrigerados por agua a presión, cuyo núcleo está constituido por unos conjuntos de combustible formados cada uno por un haz de varillas de combustible retenidas en los nudos de un retículo regular, mediante un esqueleto formado por abrazaderas unidas por unos tubos-guía que llevan unas rejillas para sujeción de las varillas. En este caso, cada conjunto de varillas está constituida por una estructura de soporte unida a un mecanismo de control que sostiene las varillas que contienen el material absorbente, que están destinadas a introducirse, mas o menos profundamente, en los tubos guía, o incluso a su extracción total del núcleo.

Normalmente, la regulación de la potencia y la parada del reactor ponen en funcionamiento varios grupos de conjuntos de varillas de características distintas (como los conjuntos de varillas llamadas "negras", muy absorbentes, y los conjuntos de varillas "grises" menos absorbentes).

Los conjuntos de varillas "negras" están constituidas por varillas que contienen un material fuertemente absorbente, tal como la aleación de Ag-In-Cd, denominada AIC, o el carburo de boro B_{4}C, dentro de una vaina, generalmente de acero inoxidable.

Estas varillas presentan limitaciones, especialmente cuando están destinadas a reactores que se han proyectado para funcionar "siguiendo la carga" y/o para un funcionamiento muy largo. La aleación Ag-In-Cd está sujeta a fluencia y a hinchamiento bajo el efecto de la exposición a la radiación. El carburo B_{4}C presenta un importante efecto de hinchamiento bajo los efectos de la exposición a la radiación que descarta su utilización en la base de las varillas, que es la parte que se introduce más frecuentemente en el núcleo.

Se sabe, por otro lado, que el hafnio es un absorbente neutrónico que no fluye a temperaturas de trabajo y que no se hincha bajo los efectos de la exposición a la radiación. Sin embargo, requiere estar protegido frente a la hidruración si está dentro de una vaina de acero o al desgaste si roza contra los elementos de guía. Su soldadura térmica con el acero inoxidable usado para constituir las vainas de protección de las varillas que contienen pastillas de carburo de boro provoca uniones frágiles y sensibles a la hidruración, como se verá más adelante.

El cambio de Ag In Cd por el hafnio en una vaina de acero permite, en principio, evitar el hinchamiento del absorbente. Pero conviene evitar la hidruración del hafnio.

Los intentos de construir varillas de hafnio en el interior de una vaina se han encontrado con dificultades. Después del desgaste por rozamiento de la película de óxido natural que se forma con el contacto con el aire durante su fabricación, el hafnio absorbe el hidrógeno que ha atravesado la vaina de acero y se hincha hasta tal punto, que puede ser necesario cambiar prematuramente los conjuntos de varillas.

Un problema similar se presenta para las varillas de conjuntos de varillas "grises" que contienen varillas menos absorbentes.

Se ha propuesto (patente EP-845 146) resolver la dificultad utilizando unas varillas cuya parte inferior esté constituida por una barra de hafnio sin vaina o en HfZr y remplazando, en la parte superior de la varilla, la vaina de acero inoxidable por una vaina de aleación HfZr que contenga unas pastillas de (HfZr)B_{2} o HfZr.

Con el fin de evitar la utilización de un material para la vaina que tenga características mecánicas muy inferiores a las del acero inoxidable, la invención está destinada especialmente a fabricar una varilla absorbente capaz de soportar en el reactor una exposición a la radiación de larga duración y que permita conservar una vaina y un tapón superior de enlace a la estructura de soporte de acero inoxidable.

Con esta finalidad, la invención propone en particular una varilla absorbente, utilizable en una barra de control, que incluye una vaina de acero inoxidable cerrada por tapones y que contiene un apilamiento de pastillas absorbentes, caracterizada por una barra terminal de hafnio ventajosamente no envainado que se fija al tapón inferior de la vaina mediante una unión puramente mecánica. El apilamiento de pastillas está compuesto normalmente por carburo de boro; también puede estar constituido por boruro de hafnio y de zirconio, bien en estado puro o bien mezclados (como se describe en la solicitud de patente FR 96 07430) o incluso de óxidos de tierras raras (Europio, disprosio), puros o bien mezclados con otros óxidos.

La barra, compacta o hueca, representa, en general, al menos un 15% de la longitud de la varilla, es decir, de la distancia sobre la que la varilla puede ser desplazada por su mecanismo. Frecuentemente, la barra representa aproximadamente un 25% de la longitud total de la varilla. Será esta barra la que con más frecuencia se introduzca en el núcleo.

La barra de hafnio sin vaina, en contacto directo con el agua a presión, no se hidruriza, ni se hincha ni fluye. Sin embargo, conviene proteger al hafnio para esta utilización cuando se encuentra en la realización sin vaina:

- contra el desgaste, por la parte donde está en contacto con sus otras piezas vecinas,

- contra la hidruración, en la parte de la unión entre el hafnio y el acero inoxidable.

La mejor protección es una capa de óxido, constituida sobre una capa de difusión subyacente impermeable al hidrógeno y resistente al desgaste. Esta capa se forma de manera natural en las condiciones del medio que se encuentran en el reactor de agua a presión (presión aproximada de 150 bars y a una temperatura entre 280 y 350ºC), aunque con un espesor generalmente insuficiente para evitar eficazmente el desgaste. Esta capa puede igualmente hacerse antes del montaje de la varilla en el reactor, mediante un tratamiento de superficie como el que describe, por ejemplo, en el documento EP-A-0 421 868. En algunos casos, el espesor tiene el riesgo de ser excesivamente débil para poder resistir las solicitaciones más exigentes por desgaste.

Una capa de protección inicial contra el desgaste se puede crear igualmente mediante un tratamiento de oxidación de la superficie exterior, en una atmósfera de oxígeno puro o de oxígeno-argón, a una temperatura comprendida entre 800ºC y 950ºC. La capa tiene preferentemente, por lo menos, 5 \mum de espesor inicial (como se indica en la solicitud de patente FR 96 07430).

Los ensayos de rozamiento llevados a cabo con agua a presión han demostrado que es deseable que tenga un espesor de óxido que oscile, al menos, entre 5 y 10 \mum, para poder resistir el desgaste. En cambio, si el espesor del óxido formado por oxidación térmica es demasiado grande, aumentan las tensiones en el punto de contacto metal-óxido y pueden conducir a desprendimiento de la capa de óxido. A pesar de todo, incluso en caso de desprendimiento de la capa de óxido, la resistencia al desgaste queda asegurada a través de la capa de difusión subyacente, siempre que ésta tenga un espesor suficiente (del orden de 12 a 15 \mum).

El procedimiento de oxidación produce ventajosamente una capa de óxido bastante gruesa para impedir la hidruración (particularmente en las zonas de unión con el acero inoxidable austenítico) y forma una capa difusa bastante gruesa para soportar los requerimientos ligados al desgaste.

Una capa de oxidación demasiado gruesa, que sobrepase los 10 \mum, tiene riesgo de desprendimientos de capa. Un buen compromiso puede estar en intentar conseguir una capa de óxido de 5 a 10 \mum y una capa de difusión de 15 a 50 \mum, pero sobre todo de 25 a 30 \mum, de profundidad. Es generalmente inútil pretender una capa difusa más gruesa, teniendo en cuenta los problemas del desgaste encontrados en las varillas absorbentes de los reactores nucleares de agua a presión.

Este compromiso puede conseguirse limitando la temperatura de tratamiento para dejar tiempo a que se efectúe la difusión y así disminuir las tensiones internas; así como limitando la rapidez de aporte de oxígeno bien limitando la presión parcial durante la oxidación, jugando sobre la presión total y la dilución, o bien intercalando, entre las fases de oxidación, fases de difusión. La rapidez de circulación del gas oxidante es también un parámetro de este proceso.

Es de esta manera que, con el fin de conseguir un valor superficial de la cantidad de oxígeno introducido de 0,0001 a 0,01 l/cm^{2} de substrato, una oxidación controlada a 860\pm10ºC durante 6 horas a una presión total de 0,1 a 0,7 mbar en una atmósfera de argón que contiene entre 3 y 25% de oxígeno, permite obtener, sobre el hafnio que contiene 300 ppm de hierro y 300 ppm de oxígeno, un espesor de óxido de 6 \pm 1 \mum y una capa de difusión entre 35 y 50 \mum de profundidad.

Se puede obtener un resultado parecido por oxidación térmica de 6 horas a 920\pm10ºC en una atmósfera de argón con 3% de oxígeno, jugando con la duración de las fases de oxidación y de difusión, por ejemplo, repitiendo 6 veces, el ciclo siguiente:

- oxidación durante 1 minuto,

- difusión en argón puro durante 1 hora.

De manera generalizada, se puede hacer una capa protectora mediante una oxidación controlada del hafnio durante 3 a 12 horas entre 820ºC y 950ºC con oxígeno diluido en una proporción entre 1 y 50%, a baja presión (algunas fracciones de mbar); se puede igualmente utilizar un tratamiento de oxidación-difusión, cuya duración de oxidación está comprendida entre 0,1% y 10% del tiempo total de tratamiento.

Puesto que el acero inoxidable es permeable al hidrógeno atómico, es necesario preservar la capa de óxido impermeable al hidrógeno en la zona de contacto entre el tapón inferior de la vaina y la barra, y/o permitir la renovación de esta capa de óxido en contacto con el agua. La mayor parte de los procedimientos de unión clásicos no permiten respetar esta condición y/o dan lugar a una unión hafnio-acero frágil e incompatible con las solicitaciones alternas con que se enfrentará en el funcionamiento de un reactor.

Por ejemplo, la soldadura térmica directa de hafnio con acero da lugar a unas fases intermetálicas que hacen que la unión sea frágil y además origina una continuidad de la materia, a través de la cual el hidrógeno podría desplazarse del acero inoxidable hacia el hafnio. La soldadura en estado sólido, por ejemplo, por difusión, o por fricción, da lugar a uniones de fragilidad excesiva, e incluso a una continuidad de la materia que provoca hidruración.

Las uniones simplemente mecánicas permiten superar los inconvenientes antes indicados. Entre los procesos utilizables, se puede emplear especialmente:

- Un montaje por compresión isostática en frío, la cual permite obtener unas uniones engastadas con unas características mecánicas considerables, sin que se origine continuidad de la materia.

- Un montaje por atornillado de la barra en el tapón, con tope de rotación de la unión roscada por deformación.

Se puede prever igualmente un montaje por magnetostricción o por explosión, que consigue una unión engastada extremadamente fuerte. Sin embargo, esta solución tiene el inconveniente de necesitar un propulsor de aleación de aluminio, debido a la conductibilidad eléctrica insuficiente del acero inoxidable y del hafnio. Este propulsor queda unido a la pieza, y su retirada mecánica, o por ataque con sosa, corre el riesgo de dañar la unión.

También se puede prever un montaje mediante el encaje de los dos componentes a conectar, contra-taladro y enclavijado. No obstante, esta solución presenta una resistencia mecánica menor a la de la unión atornillada y frenada.

La invención da a conocer igualmente un método de montaje por compresión isostática en frío que no sólo es utilizable para conseguir una varilla absorbente, sino también cada vez que se quiera unir una pieza de hafnio o de un material que presente unas características similares (como el circonio o el titanio) a una pieza de acero inoxidable, o de aleación de níquel, o de otra aleación no soldable a los materiales del tipo del hafnio, colocándose una de las dos piezas, en la parte que hay que unir, formando un tubo en el cual se introduce la otra pieza, de forma cilíndrica maciza.

La invención se entenderá mejor después de la lectura de la descripción que sigue de formas particulares de realización, que tienen carácter de ejemplo no limitativo. La descripción se refiere a los dibujos, en los que:

- La figura 1 es una vista en alzado y en sección de una varilla según un primer modo de realización de la invención, que tiene una unión engastada entre la barra de hafnio y el tapón terminal de la vaina;

- la figura 2 es una vista a mayor escala de la zona de la unión engastada, indicada por un cuadro a trazos en la figura 1;

- la figura 3 es una vista en alzado y en sección parcial de un dispositivo que permite realizar la unión engastada mostrada en la figura 2;

- la figura 4 es una vista a mayor escala de un detalle de la figura 3, que muestra los componentes que intervienen en el engaste;

- la figura 5, similar a la figura 1, muestra una varilla que tiene una unión roscada y bloqueada;

- la figura 6, similar a la figura 2, es una vista a mayor escala de la zona de montaje;

- la figura 7 es una sección según la línea VII-VII de la figura 6; y

- la figura 8 es una vista en sección de una variante.

La varilla (10) mostrada en la figura 1 comprende una vaina (12) cerrada por los tapones de unión (14) y superior (16) y contiene una columna de material absorbente retenida apoyándose contra el tapón inferior de unión (14) por un muelle (20) comprimido entre la columna y el tapón superior (16). El tapón superior (16) permite fijar la varilla a un dedo de la estructura de soporte (22). Este tapón superior (16) y los medios que permiten fijar la varilla a la estructura de soporte (22) pueden tener la constitución descrita en la solicitud de patente EP-782 150, a la cual se puede remitir.

La varilla presenta una forma clásica, de diámetro constante salvo en la parte baja que tiene forma ojival facilitando la inserción de las varillas en el tubo guía de un conjunto combustible durante el descenso de una barra absorbente. La vaina (12), el tapón de unión (14) y el tapón superior (16) están ventajosamente constituidos de acero inoxidable austenítico, de manera que pueden soldarse eléctricamente con un electrodo de tungsteno (soldadura TIG). La superficie exterior de la vaina, del tapón superior y del tapón de unión es de manera ventajosa sometida, antes del montaje, a un tratamiento de nitruración que aumenta la resistencia al desgaste. Un acero austenítico permite un tratamiento de nitruración iónico de buena calidad con una reducida sensibilidad a la corrosión. La nitruración puede efectuarse por el procedimiento descrito en el documento FR-A-2 604 188, al cual se remite.

Las pastillas (24) que ocupan la vaina están generalmente constituidas por carburo de boro. Tienen un diámetro ligeramente inferior al diámetro interno de la vaina (12), a fin de permitir su inserción y de tolerar un hinchamiento. La vaina puede tener un diámetro exterior de 9,68 mm y un grosor aproximadamente de 1 mm, usual en los reactores de agua a presión. El muelle (20) puede ser, de manera clásica, de una aleación de tipo "Inconel".

El tapón de unión (14) está fijado a una barra (26) de hafnio, maciza en el caso representado en la figura 1. La longitud total LO de la barra (26) estará generalmente comprendida entre un 25 y un 35% de la longitud L1 de la columna de pastillas (24).

La barra de hafnio (26) está fijada al tapón de unión (14) por una unión puramente mecánica.

En el caso ilustrado en las figuras 1 y 2, esta unión está efectuada mediante un engaste en la zona indicada por el cuadro (28). Para esto, el tapón de unión (14) presenta una parte superior introducida en la vaina y una valona (30) apoyada sobre el canto inferior de la vaina y soldada a la misma. Hay una prolongación en la cual se han mecanizado unas ranuras o gargantas circulares, en número de dos en la figura 2. La barra (26) termina por su parte en una zona tubular delgada (31) que constituye una falda, deformada en las ranuras del tapón de unión (14) una vez realizado el ensamblaje. Se puede ver que la columna absorbente no presenta más que una muy débil discontinuidad, gracias a la presencia de la falda.

En el fondo de la falda se ha practicado un taladro axial que desemboca en un orificio que sirve para la suspensión de las barras en el curso del tratamiento de oxidación; permitiendo la circulación del agua en el interior de la unión y una regeneración constante de la capa de óxido.

El engaste se realiza de manera ventajosa por compresión isostática en frío, por ejemplo con la ayuda de un dispositivo del tipo mostrado en las figuras 3 y 4.

Este procedimiento y este dispositivo pueden ser utilizados para juntar piezas de dos materiales diferentes que no permiten la soldadura térmica clásica, como el hafnio y el acero inoxidable.

Los componentes a engastar (barra de hafnio y vaina dotada de tapones en el caso mostrado en la figura 2) son dispuestos de manera que la zona a engastar se encuentra a altura de un anillo (32) de material deformable, pero incompresible o muy poco compresible, como algunos elastómeros. En reposo, el diámetro interior de este anillo (32) es ligeramente superior al diámetro exterior de la vaina a deformar. La longitud del anillo (32) está adaptada a la del engaste que hay que realizar. En el caso del engaste de una vaina sobre una barra de hafnio del tipo mostrado en la figura 1, la longitud del anillo estará comprendida entre algunos milímetros a una quincena de milímetros. Su diámetro exterior es aproximadamente 10 mm superior a su diámetro interior.

Es la deformación radial de este anillo bajo el efecto de una compresión axial la que asegura el engaste.

Se observa en la figura 4 que el anillo (32) está encerrado en una cámara delimitada por un manguito (34) de acero de alta resistencia y un pistón anular (36) que se desliza en un orificio del manguito. Este manguito está perforado por un agujero de inserción de la barra (26). El diámetro interior del pistón está diseñado para dejar paso a la vaina (12).

El dispositivo comprende un mecanismo que permite desplazar el pistón (36) en el manguito. Este mecanismo está soportado por un armazón (40) al que está fijada una caja (42) de recepción del manguito. Este armazón lleva un conjunto de cilindro y pistón hidráulico (44) en el que el émbolo (46) está apoyado sobre un brazo basculante (47). Este brazo basculante (47) se apoya sobre el pistón (36) mediante un módulo de ajuste constituido por dos arandelas (48) atornilladas una dentro de la otra. Estas arandelas están atravesadas por un agujero central y el brazo (48) presenta una ranura, a fin de dejar una zona libre a los componentes a engastar.

Cuando el conjunto de cilindro y pistón está alimentado por un conducto (50), comprime el anillo (32), que se hincha hacia el interior y deforma la zona tubular (31) de la barra para inducirla a pasar de la forma mostrada en la figura 4 a la forma mostrada en la figura 2.

El dispositivo que se ha descrito es susceptible de numerosas variantes. El engaste puede efectuarse sobre una sola garganta, lo que permite reducir la longitud del anillo (32). Se pueden prever en dos anillos separados por un tirante (o más) que pueden actuar cada uno a la derecha de una garganta. El engaste puede efectuarse por el interior, el anillo (32) tiene que estar entonces alojado en el interior de dos partes tubulares que se juntarán para provocar la expansión.

La unión mecánica se puede realizar igualmente mediante atornillado, como se indica en las figuras 5 a 7 donde los componentes correspondientes a los de las figuras 1 y 2 se designan con los mismos números de referencia. En este caso, el tapón de unión (14) presenta sucesivamente una parte que se encaja en la parte extrema de la vaina y que termina por un resalte de apoyo, una parte roscada y una fina falda deformable (52). Este tapón de unión (14) está soldado a la vaina. La barra (26) termina en tres zonas de diámetro decreciente. La primera zona (54a) presenta muescas longitudinales, dos en el caso mostrado, destinadas a recibir las zonas deformadas de la falda para evitar el giro de la barra. Presenta igualmente dos zonas de centrado para facilitar el montaje. La segunda zona (54b) está roscada y permite el montaje de la barra sobre el tapón de unión. Esta zona está destinada a estar atornillada en la parte roscada del tapón y apretada hasta un par determinado. El fileteado está dimensionado de manera que pueda ofrecer una resistencia mecánica suficiente a las solicitaciones de fatiga que experimentará en el reactor. Por fin, la tercera zona (54c) está constituida por una prolongación que se encaja en el tapón, a fin de asegurar la continuidad axial del absorbente neutrónico. El bloqueo en rotación, después de la fijación de la barra, se efectúa por una deformación de la falda (52) con la ayuda de un punzón adaptado para hundirlo en las muescas.

El agua puede penetrar en el interior de esta unión y regenerar constantemente la capa de óxido protectora del hafnio.

Por último, la unión mecánica mostrada en la figura 8, en la que los componentes correspondientes a los de la figura 6 están designadas con las mismas referencias, comporta un tapón de unión (14) que presenta una cámara para la recepción de una parte terminal, de diámetro reducido, de la barra (26). Una chaveta (60) está acoplada en los taladros transversales alineados del tapón de unión (14) y de la parte terminal de la barra.

Claims (10)

1. Varilla (10) absorbente que comprenda una vaina (12) de acero inoxidable cerrada por unos tapones (14, 16) también de acero inoxidable y que contiene una columna de pastillas de absorbente (24) tal como el carburo de boro, caracterizada por comprender también una barra terminal (26) de hafnio, fijada al tapón inferior (14) a través de una unión puramente mecánica.

2. Varilla, según la reivindicación 1, caracterizada porque la unión mecánica es una unión atornillada y frenada.

3. Varilla, según la reivindicación 1, caracterizada porque la unión mecánica es un tipo de unión engastada por compresión isostática en frío.

4. Varilla, según la reivindicación 3, caracterizada porque el tapón inferior (14) presenta una parte superior introducida en la vaina y una valona (30) de apoyo sobre el tramo inferior de la vaina soldada a la vaina y una prolongación en la que están mecanizadas unas gargantas circulares, y porque la barra (26) termina en una delgada zona tubular (31) formando una falda, deformada en las gargantas del tapón (14).

5. Varilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la barra presenta una capa de óxido de protección de al menos 5 \mum de espesor inicial y una difusión de oxígeno de por lo menos 25 \mum de profundidad.

6. Varilla, según la reivindicación 5, caracterizada porque la capa de protección se obtiene por un tratamiento de oxidación del hafnio, durante 3 a 12 horas, entre 820ºC y 950ºC, mediante oxígeno diluido en una proporción de 1% a 50% en un gas neutro, a una presión reducida o según un proceso de oxidación-difusión en el que la duración de la oxidación está comprendida entre 0,1% y 10% del tiempo total del proceso.

7. Varilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la vaina (12) y los tapones (14, 16) son de acero inoxidable austenítico.

8. Varilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la superficie exterior de la vaina, del tapón superior y del tapón de unión es nitrurada.

9. Varilla, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la longitud de la barra (26) está comprendida entre un 25% y un 35% de la longitud de la columna de pastillas de carburo de boro.

10. Conjunto de varillas de control para reactor nuclear, comprendiendo dicho conjunto de control una estructura de soporte, de unión a un mecanismo de mando y unas varillas absorbentes que están unidas por sus tapones superiores a la estructura de soporte, caracterizado porque las varillas son varillas, según una de las reivindicaciones precedentes.