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¿Qué son los materiales para reactores nucleares? Problemas de materiales – Definición

Los principales problemas o más bien desafíos que deben tenerse en cuenta al diseñar reactores son las tensiones de presión y temperatura con límites asociados, daños por radiación y corrosión. Materiales para reactores nucleares
materiales del reactor
El cuerpo de la vasija del reactor está construido de acero al carbono de baja aleación de alta calidad, y todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor están revestidas con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de acero inoxidable austenítico (por ejemplo, 304L) para para minimizar la corrosión.

Los reactores de agua a presión  utilizan una vasija de presión del reactor (RPV) para contener el combustible nuclear, el moderador , las barras de control y el refrigerante. Se enfrían y moderan con agua líquida a alta presión (por ejemplo, 16 MPa). A esta presión, el agua hierve a aproximadamente 350°C (662°F). La temperatura de entrada del agua es de aproximadamente 290°C (554°F). El agua (refrigerante) se calienta en el núcleo del reactor a aproximadamente 325°C (617°F) a medida que el agua fluye a través del núcleo. Como puede verse, el reactor tiene aproximadamente 25°C de refrigerante subenfriado (distancia de la saturación).

La vasija de presión del reactor es la vasija de presión que contiene el núcleo del reactor y otros componentes internos clave del reactor . Es un recipiente cilíndrico con una cabeza inferior hemisférica y una cabeza superior con bridas y empaquetaduras. La cabeza inferior está soldada a la carcasa cilíndrica, mientras que la cabeza superior está atornillada a la carcasa cilíndrica a través de las bridas. El cabezal superior es extraíble para permitir el reabastecimiento de combustible del reactor durante las interrupciones planificadas.

El cuerpo de la vasija del reactor está construido de acero al carbono de baja aleación de alta calidad , y todas las superficies que entran en contacto con el refrigerante del reactor están revestidas con un mínimo de aproximadamente 3 a 10 mm de acero inoxidable austenítico  (por ejemplo, 304L) para para minimizar la corrosión .

materiales del recipiente de presión del reactorEl acero con bajo contenido de carbono , también conocido como acero dulce, es ahora la forma más común de acero porque su precio es relativamente bajo y proporciona propiedades materiales que son aceptables para muchas aplicaciones. El acero con bajo contenido de carbono contiene aproximadamente 0,05-0,25% de carbono, lo que lo hace maleable y dúctil . El acero dulce tiene una resistencia a la tracción relativamente baja , pero tiene una alta tenacidad y es fácil de moldear. Los requisitos especiales para los materiales de la vasija del reactor incluyen una baja capacidad de activación (especialmente debido a la formación de Co-60). Ejemplos de aceros al carbono de baja aleación de alta calidad:

  • SA-508 Gr.3 Cl.2 (acero ferrítico de baja aleación)
  • 15Kh2NMFA (acero ferrítico de baja aleación)

Agentes de aleación

El hierro puro es demasiado blando para ser utilizado con fines de estructura, pero la adición de pequeñas cantidades de otros elementos (carbono, manganeso o cromo, por ejemplo) aumenta en gran medida su resistencia mecánica. El efecto sinérgico de los elementos de aleación y el tratamiento térmico produce una enorme variedad de microestructuras y propiedades. Los cuatro elementos principales de la aleación son:

  • Cromo. En estos aceros, el cromo aumenta la  dureza  y la  resistencia.  En términos generales, la concentración especificada para la mayoría de los grados es aproximadamente del 2%. Este nivel parece resultar en el mejor equilibrio entre dureza y tenacidad. El cromo juega un papel importante en el mecanismo de endurecimiento y se considera insustituible. A temperaturas más altas, el cromo contribuye a una mayor resistencia.
  • Níquel. El níquel no forma compuestos de carburo en el acero, permanece en solución en la ferrita, fortaleciendo y endureciendo la fase de ferrita.
  • Molibdeno. El molibdeno (aproximadamente 0.50-8.00%) cuando se agrega a un acero lo hace más resistente a las altas temperaturas. El molibdeno aumenta la templabilidad y la resistencia, particularmente a altas temperaturas debido al alto punto de fusión del molibdeno. El molibdeno es único en la medida en que aumenta la resistencia a la tracción y a la fluencia a alta temperatura del acero.

Los aceros inoxidables austeníticos,  que se utilizan como revestimientos resistentes a la corrosión, contienen entre un 16 y un 25% de cromo y también pueden contener nitrógeno en solución, lo que contribuye a su relativamente alta resistencia a la corrosión . El grado más conocido es el acero inoxidable AISI 304, que contiene metales de cromo (entre 15% y 20%) y níquel (entre 2% y 10,5%) como principales componentes distintos del hierro. El acero inoxidable 304 tiene una excelente resistencia a una amplia gama de entornos atmosféricos y muchos medios corrosivos. Estas aleaciones generalmente se caracterizan por ser dúctiles, soldables y endurecibles por conformado en frío.

El acero inoxidable tipo 304L , que se usa ampliamente en la industria nuclear, es una versión con muy bajo contenido de carbono de la aleación de acero 304. Este grado tiene propiedades mecánicas ligeramente más bajas que el grado estándar 304, pero todavía se usa ampliamente gracias a su versatilidad. El menor contenido de carbono en 304L minimiza la precipitación de carburo nociva o dañina como resultado de la soldadura. Por lo tanto, el 304L se puede utilizar «como soldado» en entornos de corrosión severa y elimina la necesidad de recocido. El grado 304 también tiene una buena resistencia a la oxidación en servicio intermitente hasta 870°C y en servicio continuo hasta 925°C. Dado que el grado 304L no requiere recocido posterior a la soldadura, se usa ampliamente en componentes de gran calibre. Ejemplos de aceros inoxidables usados :

  • Acero inoxidable tipo 304L
  • Tipo 08Kh18N10T acero inoxidable

Los recipientes a presión de los reactores son los componentes clave de mayor prioridad en las centrales nucleares . La vasija de presión del reactor alberga el núcleo del reactor y, debido a su función, tiene un significado directo para la seguridad. Durante el funcionamiento de una central nuclear, el material de la vasija de presión del reactor está expuesto a la radiación de neutrones (especialmente a los neutrones rápidos), lo que da como resultado una fragilización localizada del acero y las soldaduras en el área del núcleo del reactor. Para minimizar dicha degradación del material, se instalan reflectores de neutrones radiales alrededor del núcleo del reactor. Hay dos tipos básicos de reflectores de neutrones, el deflector del núcleo y elreflector pesado . Debido a la densidad de número atómico más alto, los reflectores pesados ​​reducen la fuga de neutrones (especialmente de neutrones rápidos) del núcleo de manera más eficiente que el deflector del núcleo. Dado que la vasija de presión del reactor se considera insustituible , estos efectos de envejecimiento del RPV tienen el potencial de ser condiciones limitantes para la vida de una central nuclear.

Problemas materiales y desafíos de los reactores nucleares

Los principales problemas o más bien desafíos que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar reactores son:

Referencia especial: Informe de estado del recipiente a presión del reactor, NRC de EE. UU. NUREG-1511. Oficina de Regulación de Reactores Nucleares Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU., Washington, 1994.

Referencias:

Ciencia de los Materiales:

  1. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
  2. Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
  3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
  4. Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
  5. Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
  6. González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
  7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
  8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Consulte más arriba:
Materiales de la planta de energía

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