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PRECIPITACIÓN DE βNb EN UNA ALEACIÓN DE Zr-1%Nb-0,12%O
DURANTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE VAINAS PARA
ELEMENTOS COMBUSTIBLES NUCLEARES DE ALTO QUEMADO
Pedro A. Ferreirós(1), Paula R. Alonso(1) y Gerardo H. Rubiolo(1,2)
(1)
Gerencia de Materiales (GIDAT-CAC-CNEA) e Instituto Sabato – UNSAM/CNEA, Av. Gral. Paz 1499,
B1650KNA, San Martín, Buenos Aires, Argentina.
(2)
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Av. Rivadavia 1917,
C1033AAJ, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina.
Correo electrónico: [email protected]
1. Introducción
Para que la Comisión Nacional de Energía Atómica maneje la tecnología de
elementos combustibles de Reactores de Generación III (alto quemado y aumento de la
temperatura y del pH del agua de operación) debe acceder a la tecnología de fabricación
de vainas de combustible con aleaciones de circonio libre de estaño y bajo contenido de
Nb. Ejemplos de ello son la aleación francesa M5 (Zr-1%Nb-0,12%O) ó la aleación
rusa E110 (Zr-1%Nb-0,05%O), (% en peso). Estas aleaciones han mostrado una
relevante disminución del espesor de la capa de óxidos y del “pick-up” de hidrógeno
comparado con Zry-4 a quemados mayores de 20000 MWd/tonU [1]. Estos resultados
operativos se consiguen con una micro-estructura que consiste en partículas de la fase
βNb precipitadas en una matriz α-Zr con tamaño y distribución óptima.
Este trabajo muestra resultados preliminares obtenidos siguiendo la ruta de
fabricación propuesta en patentes internacionales.
2. Procedimiento experimental
Un botón de 28g de aleación M5 se fundió en un horno eléctrico de electrodo no
consumible y atmósfera de argón. Se utilizaron metales puros y el oxígeno fue agregado
mediante Nb2O5 [2]. Los ciclos termo-mecánicos realizados sobre el botón en atmósfera
de Ar fueron [3]: deformación de 60% a 1020ºC, templado en agua desde 1020ºC,
deformación de 12% a 580ºC y dos operaciones de 15% de deformación en frío con
recocidos a 580ºC 1h. Las imágenes de Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)
se realizaron en un microscopio Philips CM 200 a 160kV. El programa para indexación
de los patrones de difracción fue: jems V3.7624U2012 [4].
3. Resultados y discusión
Las observaciones TEM (Figura 1) muestran granos con una fina dispersión de
precipitados en su interior. El ángulo superior derecho de Figura 2b muestra el patrón de
Difracción de Área Selecta donde un conjunto de puntos intensos se puede indexar con
el eje de zona 2110 de la matriz de α-Zr pero también contiene otros puntos
medianamente intensos que no corresponden a esa indexación. La imagen de campo
oscuro (Figura 2b) obtenida con alguno de estos puntos muestra iluminadas las zonas
oscuras del campo claro (Figura 2a), por consiguiente se espera que ellos provengan de
la difracción en dichas zonas. Dado que las estructuras cristalinas HCP y BCC pueden
ajustarse aproximadamente en alguna relación de orientación [5], es posible que exista
coincidencia entre puntos del patrón de difracción HCP y BCC en Figura 2b. Esto no
fue resuelto en el presente trabajo y por lo tanto no podemos asegurar que los
precipitados puedan identificarse como la fase βNb. Micrografías TEM muy similares en
distribución de precipitados pero de mayor tamaño se informan en la Ref. [6] como
precipitados de la fase βNb, la diferencia de tamaño puede deberse a diferencias en el
proceso termo-mecánico.
Figu
ura 1. Microografía TEM
M mostrandoo granos y prrecipitados ddentro de loss granos.
a
b
Figurra 2. Micrografías TE
EM: a) Cam
mpo claro. b) El pattrón de difr
fracción se
correspponde con el
e eje de zon
na
dde α–Zr y otros
o
puntos no indexaddos. Campo
oscuroo obtenido coon el punto no
n indexadoo e indicado por
p la flechaa.
4. Conclusiones
b
de la aleación Zrr-1%Nb-0,122%O y se la sometió a los ciclos
Se fundió un botón
termo--mecánicos propuestos en patentes internacionales para laa fabricaciónn de vainas
para elementos combustibles nucleares
n
dee alto quemaado. Mediantte microscoppía TEM se
u
fina precipitación como la innformada por
p otros autores.
a
La
logró observar una
dos con la faase βNb no fuue resuelta peero es posible.
identifficación de los precipitad
Refereencias
[1] Marrdon J.P., Garrner G.L., Hofffmann P.B., ""M5®, a Break
kthrough in Z
Zr Alloy", Procc. LWR Fuel
Perfformance Meetting / Top Fuell (2010) pp 5777-586
[2] Zav
vodchicov S.Y
Y., Arzhakova V.M., Bocharrov V., Zuev L.B., Kotrekhhov V.A., Rozzhdestvenskiy
V.V
V., Tarasevich S.,
S Philippov V.B.,
V
Shikov A.K.,
A
“Zirconiuum-Niobium-O
Oxygen containning alloy and
methhod for produccing said alloy””, US Patent 7..704.334 B2 (2
2010)
[3] Baeek J.H., Choi B.K.,
B
Jeong Y.H., Jung Y., K
Kim K.H., Leee M.H., Nam C
C., Park S.Y., "Method for
mannufacturing a tube
t
and a sheeet of niobium--containing zirrconium alloy for a high burrn-up nuclear
fuell", European Paatent 1225243A
A1, (2002)
[4] Staddelmann P., "Simulation of diiffraction patteerns and high resolution imagges using jems CIME-EPFL
Stattion 12 CH-101
15", Lausanne,, Switzerland (17-06-2008).
[5] Luoo C.P., Weatherrly G. C., "Thee precipitation behavior of a Zr-2.5
Z
Wt Pct Nb
N alloy", Mettall. Trans. A
19 (1988)
(
1153-11162
[6] Yann Y., Burtsev
va T.A., Billoone M.C., "High-temperaturre steam-oxidaation behaviorr of Zr-1Nb
claddding alloy E11
10", J. Nucl. Mater.
M
393 (20009) 433-448.