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 Febrero
2Comisión Nacional de Energía Atómica
3Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
1
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.
2
Principio de funcionamiento de un reactor
Refrigerante:
río, mar, etc
155 bars
≈ 350°C
3
Análisis
químico elemental
Análisis de Suelos
geología
Verificación de espesores
LIBS
Control de calidad en industria
metalúrgica
en planta de producción
Análisis de metales pesados
Aguas
2
•
Sn
Fe
Nb
Cr
Zr
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).
5
5
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).
6
6
Proceso de Emisión Inducida por Láser
7
7
Morfología vs. Nº de disparos en Zr
5 disparos
10 disparos
8
8
ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
Microfotografía obtenida con microscopio de barrido después de 20 disparos
9
ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
Microfotografía de improntas de ablación luego de 2,3,5,10,20,40 y 60 disparos
10
ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
10
2
R = 0.98797
Slope = 0.139
intercept= 0.502
Profundidad (m)
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
Numero de disparos
Profundidad de la impronta en función del numero de disparos
11
ELECCIÓN DE LA POTENCIA DEL LASER
75
I (Nb(316)/Zr(339))
70
Zr-2,5wt% Nb
65
60
55
50
45
40
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
Ener. Fuente Laser (J)
12
Espectro de emisión obtenido por LIBS
Zr- 2.5 % en peso Sn
100
Zr II
ZrII
Zr-2.5% Sn
Intensidad cuentas
Zr II
80
ZrII
ZrII
60
Zr
Nb
SnII
40
SnII
SnII
20
Nb
Zr
N
ZrII
0
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
Longitud de onda (nm)
http://www.nist.gov/pml/data/handbook/index.cfm
13
13
Curva de calibración sistema Zr-Sn
Número de cuentas
1000
Zr 0.5wt % Sn
500
0
2000
0,0
180
11,67
270
300
330
360
390
Long de onda (nm)
420
450
m
po
de
Ti
e
50.0
160
1600
140
1400
120
1200
100
Sn 303.41nm
1000
80
Zr 339.01 nm
800
60
0
10
20
30
40
50
Tiempo de retardo (s)
1414
Nº cuentas Sn (303)
33.3
40.83
Nº cuentas Zr (339) do
(
s)
1800
re
ta
r
22,50
Curva de calibración sistema Zr-Sn
80
60
40
20
Número de cuentas
100
0
0.7
2.5
200
250
300
350
400
450
w
t%
1.5
Sn
0.5
500
Longitud de onda (nm)
15
15
Linea Zr (II) (NIST) 339.197 nm
número de cuentas
0.5% Sn
0.7% Sn
1.5% Sn
2.5% Sn
338,8
338,9
Curva de calibración sistema Zr-Sn
339,0
339,1
339,2
339,3
linea de SnII (NIST) 303.4115 nm
Número de cuentas
0.5% Sn
0.7% Sn
1.5% Sn
2.5% Sn
303,3
303,4
303,5
303,6
Longitud de onda (nm)
303,7
4.53 J
Líneas de emisión de
Sn (nm)
Zr 339.01
Sn 303.41
Sn 317.66
Sn 328.31
Tiempo de retardo
30.0 µs
Numero de disparos
50
Promedio de Disparos
por muestra
10
339,4
Longitud de onda (nm)
303,2
Energía de la fuente
303,8
16
16
Sn/Zr (339) (I-Iblanco )
Curva de calibración sistema Zr-Sn
4
Linea Sn
303,41
317,66
328,31
3
2
1
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
% de Sn (en peso)
17
17
Curva de calibración sistema Zr-Sn
1,50
Sn(303)/Zr(339) (I-Iblanco)
1,35
1,20
1,05
0,90
0,75
0,60
Equation
y = a + b*x
Adj. R-Square
0,98588
Value
0,45
0,30
0,5
Standard Error
Sn(303)/Zr(339) Intercept
0,35432
0,04218
Sn(303)/Zr(339) Slope
0,40991
0,02826
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Concentración (% peso Sn)
18
18
Difusión de Cr en Zr-HCP – Simulaciones DICTRA Andrés
107°C
Dbg(T)= 8.8 exp (-137K/RT)
150°C
19
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.
20
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.
21
AGRADECIMIENTOS
Universidad Nacional de Tres de Febrero:
Proyecto UNTREF 2012-2013
Agencia Nacional de Promoción
Científica y Tecnológica
PICT-2012-2177
Proyecto CNEA – Gerencia Materiales- Lab. Difusion
22
23
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Curva de calibración sistema Zr-Sn