El circonio y sus aleaciones se utilizan ampliamente como revestimiento para combustibles de reactores nucleares. El circonio aleado con niobio o estaño tiene excelentes propiedades anticorrosivas . La alta resistencia a la corrosión de las aleaciones de circonio resulta de la formación natural de un óxido estable denso en la superficie del metal. Esta película es autocurativa, continúa creciendo lentamente a temperaturas de hasta aproximadamente 550°C (1020°F) y permanece firmemente adherida. La propiedad deseada de estas aleaciones es también una sección transversal de captura de neutrones baja. Las desventajas del circonio son las propiedades de baja resistencia y la baja resistencia al calor, que pueden eliminarse, por ejemplo, mediante una aleación con niobio.
- Circonio – Aleaciones de niobio. Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.
- Circonio – Aleaciones de estaño. Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, mejora sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los USA. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.
Aleaciones de circonio en la industria nuclear
El revestimiento de combustible es la capa exterior de las barras de combustible, que se encuentra entre el refrigerante del reactor y el combustible nuclear (es decir, pastillas de combustible ). Está hecho de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para los neutrones térmicos (~0,18×10–24 cm2), generalmente una aleación de circonio. La vaina de combustible tiene típicamente un radio interior de rZr,2 = 0,408 cm y un radio exterior rZr,1 = 0,465 cm . En comparación con los pellets de combustible, casi no hay generación de calor en la vaina del combustible (la vaina se calienta ligeramente por la radiación). Todo el calor generado en el combustible debe transferirse por conducción a través del revestimiento y, por lo tanto, la superficie interior está más caliente que la superficie exterior.
Una composición típica de las aleaciones de circonio de grado nuclear es más del 95 por ciento en peso de circonio y menos del 2% de estaño, niobio, hierro, cromo, níquel y otros metales, que se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión. La aleación más utilizada, hasta la fecha, en PWR, ha sido Zircaloy 4, sin embargo, actualmente está siendo reemplazada por nuevas aleaciones a base de circonio-niobio, que exhiben una mejor resistencia a la corrosión. La temperatura máxima a la que se pueden utilizar las aleaciones de circonio en los reactores refrigerados por agua depende de su resistencia a la corrosión. Las aleaciones de circonio más comunes, Zircaloy-2 y Zircaloy-4, contienen los fuertes estabilizadores α estaño y oxígeno, además de los estabilizadores β hierro, cromo y níquel. Aleaciones de tipo Zircalloy, en las que el estaño es el elemento de aleación básico que proporciona una mejora de sus propiedades mecánicas, tener una amplia distribución en el mundo. Sin embargo, en este caso, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor que dio lugar a la necesidad de una aleación adicional. La mejora provocada por el aditivo niobio probablemente implica un mecanismo diferente. La alta resistencia a la corrosión de los metales aleados con niobio en agua y vapor a temperaturas de 400 a 550°C se debe a su capacidad de pasivación con formación de películas protectoras.
Resistencia de la aleación de circonio – Zircaloy – 4
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas o deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La resistencia máxima a la tracción de la aleación de circonio – Zircaloy – 4 es de aproximadamente 514 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Límite de elasticidad
El límite elástico de la aleación de circonio – Zircaloy – 4 es de aproximadamente 381 MPa.
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez superado el límite elástico, una parte de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Módulo de Young
El módulo de Young de la aleación de circonio – Zircaloy – 4 es de aproximadamente 99 GPa.
El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta un esfuerzo limitante, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.
Dureza de la aleación de circonio – Zircaloy – 4
La dureza Rockwell de la aleación de circonio – Zircaloy – 4 es de aproximadamente 89 HRB.
La prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.
La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.
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