Post on 06-Feb-2016
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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 Febrero2Comisión Nacional de Energía Atómica
3Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
2
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.
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Principio de funcionamiento de un reactor
155 bars≈ 350°C
Refrigerante: río, mar, etc
2
LIBSLIBS
Análisis de Suelosgeología
Análisis de Suelosgeología
Control de calidad en industria metalúrgica
en planta de producción
Control de calidad en industria metalúrgica
en planta de producción
Análisis químico elemental
Análisis químico elemental
Verificación de espesores Verificación de espesores
Análisis de metales pesados Aguas
Análisis de metales pesados Aguas
5
5
FeFeSnSn
CrCr ZrZrNbNb
• 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).
6
6
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).
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Proceso de Emisión Inducida por Láser Proceso de Emisión Inducida por Láser
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Morfología vs. Nº de disparos en ZrMorfología vs. Nº de disparos en Zr
5 disparos
10 disparos
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ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
Microfotografía obtenida con microscopio de barrido después de 20 disparos
10
ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
Microfotografía de improntas de ablación luego de 2,3,5,10,20,40 y 60 disparos
11
ESTUDIO DE LA ZONA DE ABLACIÓN
Profundidad de la impronta en función del numero de disparos
0 10 20 30 40 50 600
2
4
6
8
10
Pro
fundid
ad
(m
)
Numero de disparos
R2= 0.98797Slope = 0.139intercept= 0.502
12
3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,840
45
50
55
60
65
70
75
Zr-2,5wt% Nb
I (N
b(3
16)/Zr(
339))
Ener. Fuente Laser (J )
ELECCIÓN DE LA POTENCIA DEL LASER
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Espectro de emisión obtenido por LIBS Espectro de emisión obtenido por LIBS
Zr- 2.5 % en peso Sn
http://www.nist.gov/pml/data/handbook/index.cfm
260 280 300 320 340 360 380 400 420 440
0
20
40
60
80
100
NbSnII
Zr II
Zr NZrII
Nb
SnII SnII
ZrII
ZrII
Zr
ZrII
Zr II
Inte
ns
ida
d c
ue
nta
s
Longitud de onda (nm)
Zr-2.5% Sn
13
14
0
500
1000
270 300 330 360 390 420 450
0,0
11,67
22,50
33.3
40.83
50.0
Long de onda (nm)
Nú
mer
o d
e cu
enta
s
Zr 0.5wt % Sn
0 10 20 30 40 50
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 10 20 30 40 50
60
80
100
120
140
160
180
Nº c
ue
nta
s S
n (3
03
)
Zr 339.01 nmN
º c
ue
nta
s Z
r (3
39
)
Sn 303.41nm
Tiempo de retardo (s)
14
Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn
1515
200 250 300 350 400 450 500
0
20
40
60
80
100
0.5
0.7
1.5
2.5
Longitud de onda (nm)
Núm
ero
de c
uent
as
Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn
1616
338,8 338,9 339,0 339,1 339,2 339,3 339,4
nú
me
ro d
e c
ue
nta
s
Longitud de onda (nm)
0.5% Sn 0.7% Sn 1.5% Sn 2.5% Sn
Linea Zr (II) (NIST) 339.197 nm
303,2 303,3 303,4 303,5 303,6 303,7 303,8
Nú
mer
o d
e cu
enta
s
Longitud de onda (nm)
0.5% Sn 0.7% Sn 1.5% Sn 2.5% Sn
linea de SnII (NIST) 303.4115 nm
Energía de la fuente 4.53 J
Líneas de emisión de Sn (nm)
Zr 339.01Sn 303.41Sn 317.66Sn 328.31
Tiempo de retardo 30.0 µs
Numero de disparos 50
Promedio de Disparos por muestra
10
16
Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn
1717
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
1
2
3
4
Linea Sn 303,41 317,66 328,31
Sn/Z
r (3
39) (I-Ibla
nco
)
% de Sn (en peso)
Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn
1818
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0,30
0,45
0,60
0,75
0,90
1,05
1,20
1,35
1,50
Sn
(303
)/Z
r(33
9) (
I-I b
lan
co)
Concentración (% peso Sn)
Equation y = a + b*x
Adj. R-Square 0,98588
Value Standard Error
Sn(303)/Zr(339) Intercept 0,35432 0,04218
Sn(303)/Zr(339) Slope 0,40991 0,02826
Curva de calibración sistema Zr-SnCurva de calibración sistema Zr-Sn
19
Dbg(T)= 8.8 exp (-137K/RT)
150°C
107°C
Difusión de Cr en Zr-HCP – Simulaciones DICTRA Andrés
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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.
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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.
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AGRADECIMIENTOS
Universidad Nacional de Tres de Febrero:
Proyecto UNTREF 2012-2013
Agencia Nacional de PromociónCientífica y Tecnológica
PICT-2012-2177
Proyecto CNEA – Gerencia Materiales- Lab. Difusion
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