ES2274482T3 - Aleacion de circonio y piezas para el nucleo de reactores nucleares refrigerados con agua ligera. - Google Patents

Abstract

Aleación de circonio con la siguiente composición: Sn: 0,2 - 0, 5% Nb: 0,2 - 0,8% Fe: 0,05 - 0,40% V: 0 - 0,20% O: 0,12 - 0,20% Si: 80 - 120 ppm C: <_ 120 ppm Resto: circonio puro para reactores con impurezas usuales.

Description

Aleación de circonio y piezas para el núcleo de reactores nucleares refrigerados con agua ligera.

La presente invención se refiere a una aleación de circonio y a piezas estructurales elaboradas con una aleación de este tipo, para el núcleo de reactores nucleares refrigerados con agua ligera, especialmente para reactores de agua a presión. Dichas piezas estructurales son, sobre todo, vainas de combustible, distanciadores y tubos guía de barras reguladoras.

Por motivos físicos, para piezas estructurales en núcleos de reactores se usa circonio como metal base, ya que tiene una baja absorción de neutrones. A causa de la separación del hafnio como absorbente de neutrones, se usa en toda regla esponja de circonio pura para reactores, cuya composición está normalizada.

Para dicho propósito se emplea hoy en día de manera predominante Zircaloy-2 (para reactores de agua hirviendo) y Zircaloy-4 (para reactores de agua a presión) o aleaciones a base de circonio derivadas de las mismas, conocidas por ejemplo a través de las patentes US 5,940,464, DE 38 05 124 A1, DE 690 10 115 T2 y WO 01/24193 A1. En menor medida también se emplean aleaciones binarias de Zr-Nb.

En la tabla siguiente se indican las composiciones de la esponja de circonio y de las aleaciones normalizadas, usuales hasta la fecha en la ingeniería occidental. Aquí debe mencionarse que, actualmente, algunas de las impurezas toleradas se controlan de manera específica o incluso se ajustan a valores especiales mediante aditivos apropiados. P.ej. así como originalmente el oxígeno solo se controlaba en función de las exigencias de la producción, por su efecto endurecedor sobre el circonio, ahora se emplea ocasionalmente a propósito como aditivo endurecedor.

TABLA Circonio puro para reactores (contenidos máximos en ppm)

Al	B	Cd	C	Cl	H	Hf	Fe	O	Si
75	0,5	0,5	250	1300	25	100	1500	1600	20

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Composiciones de las aleaciones Zircaloy y ZrNb (% en masa)

	Sn	Fe	Cr	Ni	otros	Norma
Zircaloy-2:	1,2-1,7	0,07-0,20	0,05-0,15	0,03-0,08	0,18-0,36	FeCrNi
Zircaloy-4:	1,2-1,7	0,18-0,24	0,07-0,13	\leq 0,007	2,40-2,80%	FeCr
Zr-2,5% Nb:	\leq 0,05	\leq 0,150	\leq 0,02	\leq 0,007	2,40-2,80%	Nb

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El objeto de la presente invención es proponer otra aleación de circonio y piezas estructurales elaboradas con la misma, para el núcleo de reactores de agua ligera.

Este objetivo se resuelve conforme a las reivindicaciones 1 y 5. La aleación propuesta en la reivindicación 1 se compone de una matriz de circonio puro para reactores y de 0,2 hasta 0,5% de Sn, 0,2 hasta 0,5% de Nb, 0,05 hasta 0,40% de Fe y 0,02 hasta 0,20% de V. El contenido de carbono está limitado a un máximo de 120 ppm, la tolerancia para el Si es de 80 hasta 120 ppm y para el O de 0,12 hasta 0,20 ppm. Se ha demostrado que con aleaciones de este tipo se pueden fabricar piezas, como p.ej. vainas, distanciadores, tubos guía y otras piezas estructurales de un elemento de combustible, para el núcleo de reactores de agua ligera, sobre todo de reactores de agua a presión, que resisten mejor la corrosión comparadas con piezas de Zircaloy-4, en condiciones de fabricación básicamente iguales y con tratamiento térmico similar. Esta propiedad es más acusada cuando la suma de los componentes de la aleación Sn, Nb, Fe y V no supera un valor de aproximadamente 1,3%. Esto significa que los porcentajes de Sn y Nb no pueden elegirse con total libertad. Para lograr resultados óptimos en cuanto a la resistencia a la corrosión, debe disminuir más bien el contenido del metal de transición Fe o de los metales de transición Fe y V, si sube el contenido total de Sn y Nb.

Los valores mayores que 0,5% hasta aproximadamente 0,75% de Sn empeoran la resistencia a la corrosión, aumentan el crecimiento inducido por radiación y mejoran claramente las propiedades mecánicas, de tal modo que el valor de 0,5% propuesto como máximo representa un buen compromiso. El contenido mínimo de Sn con el que aún se obtienen buenas propiedades mecánicas es de 0,2%.

La adición de vanadio no es absolutamente imprescindible para mejorar la resistencia a la corrosión. Con contenidos de Sn de 0,4% a 0,5% puede aumentarse la resistencia a la corrosión en caso de combustión elevada. Pero si parte del hierro se sustituye por V o se añaden pequeñas cantidades de V (0,2 hasta 0,20) a la aleación, disminuye la absorción de hidrógeno (HPUF = hydrogen pickup factor) y, por tanto, la formación de hidruros, que, además de fragilizar el material, provocan su crecimiento.

Para alcanzar una óptima resistencia a la fluencia y simultáneamente un valor elevado de límite elástico, puede añadirse Nb a la aleación hasta 0,8%, preferiblemente hasta su límite de solubilidad, es decir hasta 0,5%. Si este límite no se excede en gran medida, no hay que temer cambios de fase incontrolados debidos a los complicados diagramas de fase del ZrNb a temperaturas elevadas, p.ej. al soldar distanciadores o vainas con sus tapones terminales. Por lo tanto la aleación de la presente invención no debería someterse necesariamente a un tratamiento térmico posterior después de una soldadura.

Además, las aleaciones son bastante insensibles al impacto de grandes superficies calefactoras y de procesos de ebullición locales en la interfase con el agua. Ante todo se observa una pequeña absorción de litio y una mínima corrosión nodular - como en las vainas de Zirkaloy-4 en las condiciones habituales de agua a presión. Asimismo presentan un pequeño crecimiento inducido por radiación.

Ejemplos prácticos

1

Resto: circonio puro no aleado para reactores, con sustancias extrañas o impurezas toleradas.

Para fabricar vainas se funden lingotes al vacío de las aleaciones A hasta D en varias etapas de fusión y se forjan en la fase \beta de las aleaciones, por debajo de la temperatura de fusión. Las piezas forjadas se calientan de nuevo hasta una temperatura en la fase \beta y seguidamente se templan en un baño de agua a una velocidad de enfriamiento de 30 K/s como mínimo. Luego se forjan en forma de barras.

Las barras forjadas se mecanizan y se cortan en fragmentos, de los cuales se extruyen tubos. Para obtener una microestructura totalmente recristalizada se lleva a cabo un recocido tras la extrusión. Los tubos así tratados se someten a un proceso en varias etapas de conformación en frío, para transformarlos en vainas. Antes de cada conformación tiene lugar un recocido intermedio a una temperatura de unos 700ºC, que produce una recuperación y una recristalización. Tras la última conformación que conduce a la sección definitiva de la vaina se realiza un recocido final a unos 600ºC. De este modo se ajusta una baja deformación a la fluencia para un límite elástico elevado, en función del uso previsto en el reactor. Durante la fabricación se mantiene un parámetro acumulado de recocido A = 10-40 E-18 h. Opcionalmente puede efectuarse un recocido en la fase alfa, p.ej. tras la fabricación de las barras forjadas.

Las vainas fabricadas del modo descrito se rellenan al final con pastillas de combustible y se sueldan por ambos extremos con tapones para lograr la estanqueidad a los gases, con lo cual concluye la elaboración de las barras de combustible. Usando el mismo proceso se elaboran también las barras reguladoras.

En otro ejemplo práctico, partiendo de un lingote con la misma composición se laminan planchas en caliente tras la correspondiente etapa de calentamiento y templado de la pieza forjada (en una o varias etapas con recocidos intercalados). Las temperaturas de conformación en caliente y de los recocidos intermedios se eligen de manera que estén comprendidas en la fase \alpha de las aleaciones. Después la plancha se lamina en frío, en varias etapas, dando una chapa del grosor deseado. Entre las etapas de conformación y tras la última conformación se efectúa un recocido al vacío, que igualmente puede tener lugar en proceso continuo y produce una recristalización completa. Estas chapas se transforman en distanciadores.

Cuando las barras de combustible, los tubos guía y los distanciadores elaborados de esta forma se utilizan en un reactor de agua a presión, estas piezas muestran unos valores de corrosión mejores que las piezas fabricadas con Zircaloy-4 convencional, de bajo contenido en estaño (low tin Zirc-4), sobre todo durante un tiempo de servicio prolongado, lo cual puede deducirse de cálculos empíricamente fundamentados. Los correspondientes resultados se pueden deducir del diagrama adjunto. En abscisas se representa el combustible consumido y en ordenadas el espesor de la capa de óxido. Se puede apreciar que las aleaciones de la presente invención pueden permanecer en el reactor casi el doble de tiempo (6 ciclos) que las aleaciones convencionales (3 ciclos), antes de que deban sustituirse por corrosión. (Todos los porcentajes se refieren a masa).

Claims (5)

1. Aleación de circonio con la siguiente composición:

Sn: 0,2 - 0,5% Nb: 0,2 - 0,8% Fe: 0,05 - 0,40% V: 0 - 0,20% O: 0,12 - 0,20% Si: 80 - 120 ppm C: \leq 120 ppm

Resto: circonio puro para reactores con impurezas usuales.

2. Aleación según la reivindicación 1, caracterizada porque contiene al menos 0,07% de V.

3. Aleación según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque la suma de los contenidos de Sn, Nb, Fe y V es como máximo del 1,3%.

4. Pieza para el núcleo de un reactor de agua ligera, en particular para un reactor de agua a presión, caracterizada porque está elaborada a partir de una aleación según una de las reivindicaciones 1 hasta 3.

5. Pieza según la reivindicación 4, caracterizada porque se elabora manteniendo un parámetro de recocido acumulado de (10-40) E-18 h.