Estudio de Aleaciones de Circonio de Uso Nuclear

1

Estudio de Aleaciones de Circonio de Uso Nuclear

Andrés Lucía1, Juan Carricondo1, Martín Iofrida1, Ernesto Previtali1, Daniel Valdivia1, Carlos Ararat2, Manuel Iribarren2, Carolina Corvalán1,2,3

1Universidad Nacional de Tres de Febrero2Comisión Nacional de Energía Atómica

3Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

2

Objetivos del trabajo

Generales

La seguridad y predictibilidad son requerimientos esenciales para el diseño

de materiales usados en distintas tecnologías, y con mayor razón en la

tecnología de reactores nucleares.

Particulares

1-Primeras mediciones en aleaciones base Zr con una nueva técnica: LIBS.

•Estudio de los espectros obtenidos por la generación de plasma.

•Variación de intensidad de espectro vs. energía del láser.

•Estudio de la morfología y profundidad de la impronta dejada por el láser.

2-Simulaciones computacionales de difusión en aleaciones de Zr.

3

Principio de funcionamiento de un reactor

155 bars≈ 350°C

Refrigerante: río, mar, etc

2

LIBSLIBS

Análisis de Suelosgeología

Análisis de Suelosgeología

Control de calidad en industria metalúrgica

en planta de producción

Control de calidad en industria metalúrgica

en planta de producción

Análisis químico elemental

Análisis químico elemental

Verificación de espesores Verificación de espesores

Análisis de metales pesados Aguas

Análisis de metales pesados Aguas

5

5

FeFeSnSn

CrCr ZrZrNbNb

• Se utilizan en la industria nuclear para construir las vainas de los elementos

combustibles en reactores debido a:

• Resistencia al daño por radiación.

• Resistencia a la corrosión.

• Buenas propiedades mecánicas.

• Baja sección eficaz de captura de neutrones térmicos (E entre 0,025 y 0,5 ev).

6

6

Debido a las condiciones de servicio las vainas del combustible sufren

cambios :

•Propiedades mecánicas, dimensionales y frente a la corrosión.

•Aumento de defectos cristalinos por efecto del flujo neutrónico.

•Cambios dimensionales por desplazamiento de los defectos cristalinos

(difusión).

•Combado debido al creep originados por el peso del combustible.

• Fenómenos de transporte de materia entre la vaina (Zr-Nb) y su fuelle (inox.

Martensítico 403).

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Proceso de Emisión Inducida por Láser Proceso de Emisión Inducida por Láser

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Morfología vs. Nº de disparos en ZrMorfología vs. Nº de disparos en Zr

5 disparos

10 disparos

9

ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN

Microfotografía obtenida con microscopio de barrido después de 20 disparos

10

ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN

Microfotografía de improntas de ablación luego de 2,3,5,10,20,40 y 60 disparos

11

ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN

Profundidad de la impronta en función del numero de disparos

0 10 20 30 40 50 600

2

4

6

8

10

Pro

fundid

ad

(m

)

Numero de disparos

R2= 0.98797Slope = 0.139intercept= 0.502

12

3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,840

45

50

55

60

65

70

75

Zr-2,5wt% Nb

I (N

b(3

16)/Zr(

339))

Ener. Fuente Laser (J )

ELECCIÓN DE LA POTENCIA DEL LASER

13

Espectro de emisión obtenido por LIBS Espectro de emisión obtenido por LIBS

Zr- 2.5 % en peso Sn

http://www.nist.gov/pml/data/handbook/index.cfm

260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

0

20

40

60

80

100

NbSnII

Zr II

Zr NZrII

Nb

SnII SnII

ZrII

ZrII

Zr

ZrII

Zr II

Inte

ns

ida

d c

ue

nta

s

Longitud de onda (nm)

Zr-2.5% Sn

13

14

0

500

1000

270 300 330 360 390 420 450

0,0

11,67

22,50

33.3

40.83

50.0

Long de onda (nm)

Nú

mer

o d

e cu

enta

s

Zr 0.5wt % Sn

0 10 20 30 40 50

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 10 20 30 40 50

60

80

100

120

140

160

180

Nº c

ue

nta

s S

n (3

03

)

Zr 339.01 nmN

º c

ue

nta

s Z

r (3

39

)

Sn 303.41nm

Tiempo de retardo (s)

14

Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn

1515

200 250 300 350 400 450 500

0

20

40

60

80

100

0.5

0.7

1.5

2.5

Longitud de onda (nm)

Núm

ero

de c

uent

as

Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn

1616

338,8 338,9 339,0 339,1 339,2 339,3 339,4

nú

me

ro d

e c

ue

nta

s

Longitud de onda (nm)

0.5% Sn 0.7% Sn 1.5% Sn 2.5% Sn

Linea Zr (II) (NIST) 339.197 nm

303,2 303,3 303,4 303,5 303,6 303,7 303,8

Nú

mer

o d

e cu

enta

s

Longitud de onda (nm)

0.5% Sn 0.7% Sn 1.5% Sn 2.5% Sn

linea de SnII (NIST) 303.4115 nm

Energía de la fuente 4.53 J

Líneas de emisión de Sn (nm)

Zr 339.01Sn 303.41Sn 317.66Sn 328.31

Tiempo de retardo 30.0 µs

Numero de disparos 50

Promedio de Disparos por muestra

10

16

Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn

1717

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

1

2

3

4

Linea Sn 303,41 317,66 328,31

Sn/Z

r (3

39) (I-Ibla

nco

)

% de Sn (en peso)

Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn

1818

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0,30

0,45

0,60

0,75

0,90

1,05

1,20

1,35

1,50

Sn

(303

)/Z

r(33

9) (

I-I b

lan

co)

Concentración (% peso Sn)

Equation y = a + b*x

Adj. R-Square 0,98588

Value Standard Error

Sn(303)/Zr(339) Intercept 0,35432 0,04218

Sn(303)/Zr(339) Slope 0,40991 0,02826

Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn

19

Dbg(T)= 8.8 exp (-137K/RT)  

150°C

107°C

Difusión de Cr en Zr-HCP – Simulaciones DICTRA Andrés

20

CONCLUSIONES

1- Parametrización del equipo LIBS

•Delay: - 39.6 microsegundos [μs] (se obtuvieron mejores valores de intensidad)

•Distancia focal: 60 milímetros [mm].

•Potencia del láser: 4.5 Joules [J].

•Series de disparos: 10 series.

•Disparos por serie: 50 disparos (obteniéndose valores promedio por longitud de onda)

2-Curva de calibración para el sistema Zr-Sn

3-Simulaciones de procesos difusivos en Zr a bajas temp.

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TRABAJOS A FUTURO

•Preparación de aleaciones Zr-Nb a distintas concentraciones (entre 0.5 –

2.5 % de Nb).

•Verificación de las concentraciones de las mismas por técnicas

analíticas convencionales (ICP).

•Análisis de las aleaciones con la técnica del LIBS.

•Comparación de ambos métodos.

•Construcción de las curvas de calibración.

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AGRADECIMIENTOS

Universidad Nacional de Tres de Febrero:

Proyecto UNTREF 2012-2013

Agencia Nacional de PromociónCientífica y Tecnológica

PICT-2012-2177

Proyecto CNEA – Gerencia Materiales- Lab. Difusion

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