Estudio de termofluencia en plomo-bismuto líquido de aceros ferrítico-martensíticos mediante el uso de probetas miniatura

• Autores: Rebeca Hernández Pascual
• Directores de la Tesis: Mónica Campos Gómez (dir. tes.), Marta Serrano (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2015
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Gerardo Garcés Plaza (presid.), Elisa María Ruiz Navas (secret.), Francisco Javier Martín Muñoz (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales por la Universidad Carlos III de Madrid
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  • Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
• Resumen

  • Las extremas condiciones de operación a las que se verán sometidos los reactores nucleares de IV Generación: alta temperatura, elevada dosis de irradiación, medio agresivo y largos tiempos de operación, hace determinante el proceso de selección de materiales para cada componente en función de todos los fenómenos degradatorios a los que pueden verse sometidos en operación durante su vida útil en planta, en comparación con los diseños actualmente en funcionamiento. Operar a alta temperatura empleando refrigerantes agresivos como el sodio, el plomo o el eutéctico plomo-bismuto, con perspectivas de largo tiempo de vida útil de la planta (40 o 60 años) y sumando el daño por irradiación que puede provocar la fragilización e hinchamiento o swelling de los materiales entre otros fenómenos, hace imprescindible contar con materiales capaces de mantener sus propiedades mecánicas, asegurando el correcto funcionamiento de la planta con el máximo nivel de seguridad, sin olvidar los costes de fabricación y mantenimiento los cuales repercuten directamente en la rentabilidad prevista para la central. Dicho aumento de la temperatura y tiempo de operación en estos diseños implica el estudio del comportamiento a termofluencia de los materiales candidatos en elevadas condiciones de temperatura y carga, así como en ambientes agresivos tales como el eutéctico plomo-bismuto. El eutéctico plomo-bismuto se presenta como un buen aspirante a refrigerante para el diseño de reactor rápido debido a que permite un espectro de neutrones rápidos, baja temperatura de fusión y elevada temperatura de ebullición, no reacciona con el agua o aire, etc. La mayor desventaja que presenta es la corrosión que pueden sufrir los materiales metálicos empleados en los componentes, provocando a su vez la formación de escorias que pueden acumularse e interrumpir el correcto funcionamiento de los mismos. Un correcto pero complejo control del oxígeno puede evitar la aparición de estos problemas teniendo en cuenta siempre el material seleccionado. Los aceros ferríticos-martensítico (F/M) como el acero T91, se presentan como unos buenos candidatos debido a sus buenas propiedades mecánicas a elevadas temperaturas y su alta resistencia al swelling. La mejora de las propiedades de estos aceros puede llevarse por ejemplo a través de la dispersión de óxidos en su matriz ferrítica, permitiendo que los aceros F/M ODS (oxide dispersion strengthened) también sean unos buenos candidatos, ya que de este modo se pretende aumentar, entre otras propiedades, su resistencia a la termofluencia a elevas temperaturas, pero manteniendo a su vez sus anteriores propiedades como su alta resistencia al swelling. El estudio de estos aceros ODS como posibles materiales candidatos plantea un reto a largo plazo que permite la fabricación de pequeñas coladas experimentales cambiando las técnicas de procesado: molienda, sinterizado y consolidación, ajustando y añadiendo o eliminando elementos aleantes de la composición química, etc. con el fin de obtener las mejores propiedades mecánicas que permitan su aplicación en el ámbito nuclear. Este hecho da lugar a pequeñas coladas experimentales, en lugar de mayores producciones, que necesitan ser caracterizadas de forma completa a pesar de contar con una cantidad reducida de material. El uso de las probetas miniatura o sub-dimensionadas se encuentra muy presente en la industria nuclear, conservando siempre las proporciones y relaciones de geometría normalizadas, con el objetivo de caracterizar materiales a partir de pequeñas cantidades del mismo. Este uso aún no se encuentra correctamente validado, lo que implica un estudio previo del posible efecto de tamaño de probeta en los resultados obtenidos para realizar una adecuada interpretación de los mismos y así asegurar la adecuada caracterización de los materiales. La presente tesis doctoral se ha centrado en la caracterización mecánica en termofluencia a alta temperatura de los aceros ferrítico-martensíticos: T91 y T91-ODS como materiales candidatos a reactores de IV Generación en aire y en eutéctico plomo-bismuto para diferentes condiciones de operación, utilizando probetas sub-dimensionadas. Un primer estudio del efecto de tamaño de probeta con el acero T91 ha permitido la selección de la adecuada geometría de probeta sub-dimensionada para su posterior aplicación en los ensayos de termofluencia realizados para el acero T91-ODS, así como para los ensayos realizados en eutéctico plomo-bismuto.