reproducción y caracterización de ampollas de hidruro de circonio

REPRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE AMPOLLAS DE
HIDRURO DE CIRCONIO EN MUESTRAS DE VAINA DE
COMBUSTIBLE NUCLEAR
M.A. Martín Rengel, P. Muñoz, J. Ruiz-Hervias
Dpto. Ciencia de Materiales. E.T.S.I.Caminos. Universidad Politécnica de Madrid,
c/ Profesor Aranguren 3, 28040, Madrid; mamartin@mater.upm.es
Resumen – En el presente trabajo se describen las técnicas experimentales utilizadas
por los autores para reproducir en el laboratorio ampollas de hidruros. Por un proceso
de carga catódica se hidruraron muestras de vaina de combustible sin irradiar de 100
mm de longitud con 500 ppm de hidrógeno. Mediante la generación de un punto frio en
la superficie caliente de la vaina se formaron las ampollas. Dichas ampollas fueron
caracterizadas por microscopía electrónica de barrido.
Abstract – In this work, the experimental techniques employed by the authors to
reproduce hydride blisters in the laboratory are described. By means of a cathodic
charging technique, 100 mm length unirradiated fuel cladding samples were hydrided
with 500 ppm of hydrogen. In order to produce the hydride blister, a cold spot was
generated on the hot surface of the cladding. These blisters were characterized by
scanning electron microscopy.
1. INTRODUCCIÓN
Las vainas de combustible nuclear constituyen la primera barrera de
confinamiento de las pastillas cerámicas del combustible y de los productos de
fisión generados. Uno de los principales fenómenos de degradación que sufren
las vainas es la absorción de hidrógeno. En operación, como consecuencia de
la reacción de oxidación del circonio de la vaina con el agua de refrigeración se
produce hidrógeno. Parte de este hidrógeno se difunde en el interior de la
vaina. Cuando el límite de solubilidad del hidrógeno en el circonio es
alcanzado, el hidrógeno precipita formando hidruros de circonio. Se ha
comprobado que la presencia de estos hidruros en la vaina puede llegar a
fragilizarla [1-7].
El grado de fragilización de las vainas no solo depende de la
concentración de hidrógeno, si no que depende también de otra serie de
factores como la morfología y distribución de los hidruros en la vaina.
Como consecuencia de su oxidación, la vaina va a desarrollar una capa
exterior de óxido de circonio. Este óxido actúa como aislante térmico. Sin
embargo, bajo determinadas condiciones, dicha capa puede romperse
parcialmente, dejando al descubierto la superficie de la vaina. Se genera así un
“punto frio” en dicha superficie de la vaina al perder su aislamiento térmico.
Como consecuencia el hidrógeno existente en la vaina migrará llegando a
formar en torno al “punto frio” una masa sólida de hidruro conocida como
ampolla (“blister” en inglés) [8-10].
En el presente trabajo se describen detalladamente las técnicas
experimentales empleadas por los autores para producir ampollas en muestras
de vaina de combustible nuclear sin irradiar. Las muestras empleadas se
cargaron con 500 ppm de hidrógeno distribuido homogéneamente en forma de
hidruros circunferenciales. El hidrógeno fue introducido mediante carga
catódica. Finalmente, las ampollas generadas fueron caracterizadas mediante
microscopia electrónica de barrido.
2. EXPERIMENTAL
Se ha desarrollado una técnica experimental para introducir cantidades
controladas de hidrogeno en muestras de vainas. Este hidrógeno se introdujo
por carga catódica en disolución acuosa de KOH. La muestra de vaina hacía
las veces de cátodo de la reacción electroquímica, mientras que un hilo de
platino enrollado alrededor de la muestra era el ánodo [3]. De este modo se
cargaron muestras de 100 mm de longitud con 500 ppm de hidrógeno. Una vez
cargadas con hidrógeno, las muestras fueron sometidas a un tratamiento
térmico. Primeramente fueron calentadas a 450 ºC durante 7 horas, con el fin
de que el hidrógeno introducido se distribuyese homogéneamente y
posteriormente enfriadas lentamente (a 1,2 ºC/min), hasta temperatura
ambiente, para obtener hidruros de circonio de fase delta [3].
Para generar ampollas en las muestras descritas (500 ppm y 100 mm de
longitud), se introdujo un elemento calefactor en contacto con la superficie
interna de la probeta. El elemento calefactor se conectó a un controlador. La
muestra de vaina de combustible, con el elemento calefactor en su interior, se
ubicó dentro de un tubo cerámico aislante. Esta vaina cerámica tenía un
agujero en su parte central y dos pequeños orificios, uno en cada extremo
(aproximadamente de 0,5 mm de diámetro) para medir y controlar la
temperatura exterior de la vaina.
El elemento calefactor hace que la muestra alcance 350 ºC en su
superficie exterior. Con el objetivo de producir un punto frio en la superficie de
la vaina, se introdujo un “dedo frio” por el interior del orificio central de la vaina
cerámica. El “dedo frio” es un cilindro de aluminio hueco terminado en una
superficie cóncava adaptada a la superficie exterior de la vaina y que tiene 6
mm de longitud y 2 mm de arco. Con objeto de lograr un contacto térmico
adecuado se colocó entre la vaina prehidrurada y el “dedo frio” cobre en polvo.
Por el interior del cilindro de aluminio circulaba agua a 9 ºC, con el objetivo de
mantener refrigerada la punta.
El tamaño de la ampolla es función de la superficie de contacto entre el
“dedo frio” y la vaina prehidrurada. Una vez finalizado el ensayo, la temperatura
de la vaina de combustible se disminuyó lentamente (0,9 ºC/min) con el
objetivo de obtener una masa sólida de hidruro, es decir una ampolla.
Las muestras con ampollas fueron observadas en un microscopio
electrónico de barrido ZEISS AURIGA.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 1 se muestra una imagen del microscopio electrónico de
barrido (MEB) de una muestra de vaina con una ampolla. En ella se puede
apreciar la distorsión que produce sobre la superficie de la muestra la masa
sólida de hidruro de circonio y en la figura 2 se muestran las dimensiones de la
ampolla generada.
Figura 1. Superficie de muestra de vaina con ampolla de hidruros.
Figura 2 Dimensiones de la ampolla de hidruros.
Como puede apreciarse en la figura 2, la ampolla objeto de estudio tiene
__
una longitud axial (segmento 12 ) de 5,42 mm, mientras que su anchura en los
___
___
extremos es de 1.52 mm (segmento ab ) y de 2,37 mm (segmento AB ). El
tamaño de la ampolla en la superficie exterior de la vaina es prácticamente el
mismo que las dimensiones del dedo frio en contacto con la vaina (6 x 2 mm).
4. CONCLUSIONES
En la presente ponencia se ha desarrollado un procedimiento
experimental para reproducir ampollas de hidruro de circonio en el laboratorio
partiendo de muestras sin irradiar con hidruros distribuidos de forma
homogénea. El método permite la producción de ampollas con el tamaño
deseado, dado que sus dimensiones prácticamente coinciden con el tamaño de
la base del “dedo frio” empleado.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al CSN, ENRESA y ENUSA la
financiación recibida para la realización de este trabajo y su colaboración en el
mismo.
REFERENCIAS
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