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Centro de InvestigacionesEnergéticas, Medioambientales
y Tecnológicas
GOBIERNO DE ESPAÑA
MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD
Centro de InvestigacionesEnergéticas, Medioambientales
y Tecnológicas
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD
Aceros para reactores nucleares de IV generación
Marta Serrano GarcíaDivisión de Materiales Estructurales
Departamento de tecnologíaCIEMAT
Email: marta.serrano@ciemat.es
Jornada PLATEAInnovación en acero para requerimientos del sector energético
Madrid 3 de diciembre de 2014
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introduccion
1980 2000 2020 2040 2060 2080
LWR (Operacion a Largo Plazo)
European Pressurized Reactor (EPR)
Gen IV
ITERDEMO
ASTRID (SFR), MYRRHA (LFR) (EU prototype 2020)
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción
• 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
Irradiated 316
Cladding,Internals
Swelling
Creep
He
RIS
Coolant
Vaina: Alrededor de 7 mm de diámetro, 0.5 mm de espesor y varios metros de longitud
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Códigosnucleares existentes
Introducción
4
LWR
High
Very highMedium
Fusion FWSCWRSFRLFR
SFRLFRMSRGFR
VHTR
ASME Section III SA508 up to 371 ºC
ASME Section III T91 up to 427 ºC
• Very high (>900ºC)– Very high temperature gas-cooled reactor– Molten salt fueled reactors
• High (~600-900ºC)– 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
Frajtag 2007
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Tempe
rature (ºC)
Alta temperatura
Nuevas reglas de diseño
Fluencia térmica (Creep)
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción
Alta dosis
Gen II+III
Gen IV
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Introducción
Refrigerante agresivoPosibilidad de fragilización pormetal líquido
Mayor contenido en Cr‐ Mayor protección frente a la corrosión‐ Mayor fragilización térmica y por irradiación
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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 DispersionStrengthened ODS).
• Aceros convencionales optimizados mediante tratamientos térmicos.
• Materiales compuestos SiC/SiC.
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Aceros Ferrítico‐martensíticos
• La elección de acero ferrítico/martensíticos para diseños de reactoresrápidos 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 reblandecimientoen fatiga
• Los aceros endurecidos por dispersión de óxidos mejoran las propiedadesa alta temperatura de los F/M.
Swelling
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Aceros ODS
• 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
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Aceros ODS
• Pero….– Baja tenacidad– Fallo en creep secundario– Presentan anisotropía– Dificultades para soldar– Proceso de fabricación es costoso– Baja reproducibilidad de coladas
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD Aceros F/M mejorados
• Aceros ferritico/martensiticosconvencionales con mayor resistencia a creep
• Distribución homogénea de precipitados MX (M=Ti, Nband V X=C o N) nanométricos– Modificar la composición química + Tratamientos termo‐mecánicos
Klueh 2007
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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)
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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
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MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD 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)
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