Los aceros para trabajos a alta temperatura que se
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GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros para reactores nucleares de IV generación Marta Serrano García División de Materiales Estructurales Departamento de tecnología CIEMAT Email: [email protected] Jornada PLATEA Innovación en acero para requerimientos del sector energético Madrid 3 de diciembre de 2014 GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 1980 Introduccion Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas 2000 2020 2040 2060 2080 LWR (Operacion a Largo Plazo) European Pressurized Reactor (EPR) ASTRID (SFR), MYRRHA (LFR) (EU prototype 2020) Gen IV ITER DEMO GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas • Los materiales de los elementos combustibles de los reactores innovadores están sometidos a: – – – – Mayor temperatura de trabajo Mayor dosis neutrónica Refrigerantes mas agresivos Tiempo de operación de 60 años 316 60 dpa at 600oC Swelling He RIS Irrad iate d 316 Cladding, Internals Coolant Creep Vaina: Alrededor de 7 mm de diámetro, 0.5 mm de espesor y varios metros de longitud GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Alta temperatura 1600 • 1400 – Very high temperature gas-cooled reactor – Molten salt fueled reactors VHTR • 800 SFR LFR MSR GFR • 600 Medium 400 High (~600-900ºC) – – – – 1000 High Temperature (ºC) Very high 1200 Very high (>900ºC) Fusion FW SCWR SFR LFR Pb/Pb-Bi cooled FR Gas-cooled fast reactors FR Molten salt fueled reactors Pebble-bed gas-cooled reactors Medium (~350-600ºC) – – – – Supercritical Water Reactor Sodium-Cooled FR Pb/Pb-Bi cooled FR Fusion FW and TBM ASME Section III T91 up to 427 ºC Frajtag 2007 LWR 200 Fluencia térmica (Creep) ASME Section III SA508 up to 371 ºC 4 Códigos nucleares existentes Nuevas reglas de diseño GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Alta dosis Gen IV Gen II+III GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Posibilidad de fragilización por metal líquido Introducción Refrigerante agresivo Mayor contenido en Cr ‐ Mayor protección frente a la corrosión ‐ Mayor fragilización térmica y por irradiación GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Introducción • Proyectos I+D+I de reactores nucleares innovadores: – Corto plazo: Utilización de materiales ya conocidos • Aceros ferrítico/martensíticos: EM10, T91. • Aceros inoxidables: 316L, DIN 1.4970 (15Cr‐15Ni‐1.2Mo‐Ti‐B), aleación 800. • Aleaciones base níquel: aleación 617. – Largo plazo: Desarrollo de nuevos materiales con mejores prestaciones que los utilizados en los prototipos: • Aleaciones endurecidas por dispersión de óxidos (Oxide Dispersion Strengthened ODS). • Aceros convencionales optimizados mediante tratamientos térmicos. • Materiales compuestos SiC/SiC. GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros Ferrítico‐martensíticos • La elección de acero ferrítico/martensíticos para diseños de reactores rápidos viene dada por su alta resistencia a hinchamiento por irradiación (swelling) en comparación con los aceros inoxidables austeníticos. – ASTRID: EM10 (9Cr‐1Mo) ‐ Experiencia en Phenix (SFR experimental). Limitado a 550ºC por comportamiento a fluencia y posible reblandecimiento en fatiga • Los aceros endurecidos por dispersión de óxidos mejoran las propiedades a alta temperatura de los F/M. Swelling GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas • Los aceros endurecidos por dispersión de óxidos (ODS) se fabrican por métodos pulvi‐metalurgicos – Aleación mecánica con Ytria (Y2O3) max hasta un 0.3% – Ferritico/Martensiticos 9 wt% Cr – Ferriticos : con Cr superior a 12 wt%, con versiones con Al para mejorar compatibilidad Aceros ODS GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros ODS • Las buenas cualidades de los ODS se sustentan en una microestructura determinada – Dispersión homogénea de nano‐ partículas de Y‐Ti‐O – Estructura de grano nanométrica ORNL GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas • Pero…. – – – – – – Baja tenacidad Fallo en creep secundario Presentan anisotropía Dificultades para soldar Proceso de fabricación es costoso Baja reproducibilidad de coladas Aceros ODS GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros ODS • Programas actuales de optimizacion de ODS – Procesos de fabricación mas económicos • Spark Plasma Sintering • Gas Atomization Reaction Synthesis • Metodos convencionales (OCAS) – Tratamientos térmicos de recristalización para reducir la anisotropía – Se necesita implicar a socios industriales • “Mercado científico” a escala intermedia GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros F/M mejorados • Aceros ferritico/martensiticos convencionales con mayor resistencia a creep • Distribución homogénea de precipitados MX (M=Ti, Nb and V X=C o N) nanométricos – Modificar la composición química + Tratamientos termo‐mecánicos Klueh 2007 GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros F/M mejorados • P91 tratamiento térmico convencional incluye un normalizado (temperatura mínima de austenizacion 1040ºC) y revenido a alta temperatura (760 – 780 °C) • Tratamiento termomecánico: Alta temperatura de austenizacion (1150‐ 1200°C) seguido de un laminado en caliente (500‐600°C), templado y revenido S. Hollner et al. (CEA) GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Aceros F/M mejorados • Un revenido a menor temperatura tambien mejora las propiedades de creep considerablemente pero se degrada la tenacidad • Sin embargo el laminado en caliente intermedio mejora las propiedades de creep manteniendo una tenacidad aceptable Yamamoto ORNL GOBIERNO DE ESPAÑA MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas Sumario • Las condiciones de operación de los reactores nucleares de IV generación son mas exigentes que las de los reactores en operación • Los nuevos prototipos utilizaran a corto plazo materiales convencionales, principalmente aceros inoxidables tipo 316L, 15‐ 15Ti • Se esta trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para su uso a largo plazo mas resistentes a alta temperatura y a la irradiación neutrónica – Aceros ODS – Aceros F/M mejorados • Todos los estudios en marcha apunta a que ambos materiales son prometedores pero su cualificación como material de uso nuclear es un proceso muy largo y costoso – Comportamiento bajo irradiación – Largo tiempo de operación (60 años)
