licenta materiale nucleare
TRANSCRIPT
CUPRINS:
1. INTRODUCERE……………………………………………………………………………2
2. MATERIALELE PRINCIPALE FOLOSITE ÎN CONSTRUCŢIA INSTALAŢIILOR
ENERGETICE…………………………………………………………………………………3
2.1. Generalităţi………………………………………………………………………...3
2.2. Tipuri de materiale………………………………………………………………...4
2.3. Materialele utilizate în domeniul nuclear………………………………………..19
2.4. Defecte de iradiere şi microstructură…………………………………………….22
3. CARACTERISTICI GENERALE ALE REACTORULUI CANDU –PHWR 600……….28
4. CARACTERIZAREA ZIRCONIULUI ŞI A ALIAJELOR SALE………………………..33
4.1. Zirconiul………………………………………………………………………….33
4.2. Elaborarea zirconiului……………………………………………………………34
4.3. Proprietăţile zirconiului şi a aliajelor sale………………………………………..39
4.4. Proprietăţile mecanice ale zirconiului…………………………………...……….44
4.5. Proprietăţile mecanice ale aliajelor de zirconiu………………………………….48
4.6. Aplicaţiile zirconiului şi a aliajelor sale 50
5. ÎNCERCĂRI EXPERIMENTALE………………………………………………………..55
5.1. Consideraţii generale privind necesitatea încercărilor mecanice de
rezistenţă……………………………………………………………………………………...55
5.2. Încercarea la tracţiune……………………………………………………………56
5.3. Epruvete pentru încercarea la tracţiune…………………………………………..59
5.4. Maşina de încercat universală……………………………………………………61
6. REZULTATE. DISCUŢII. ANALIZE…………………………………………………….68
6.1. Testul de tracţiune………………………………………………………………..68
6.2. Prelucrarea rezultatelor experimentale…………………………………………..76
7. CONCLUZII……………………………………………………………………………….83
8. BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………...84
1. INTRODUCERE
Evaluarea comportării mecanice a materialelor de structură utilizate în reactorul
CANDU constituie o componentă importantă, care are drept obiectiv principal caracterizarea
proprietăţilor mecanice a acestor componente care intră în procesul de fabricaţie.
Aliajul de Zirconiu (Zircaloy – 4) folosit în fabricaţia elementelor şi fasciculelor
combustibile este unul din materialele cele mai studiate din acest punct de vedere.
În lucrare este prezentată caracterizarea proprietăţilor de material ale tuburilor de
Zircaloy – 4.
Testele de tracţiune axială au fost efectuate pe probe de Zircaloy – 4 prelevate din
tub. Pentru aceste teste s-a folosit maşina de tracţiune model INSTRON cuplată la un
calculator, care prin intermediul unei interfeţe analog-digitale s-au evaluat şi prelucrat datele
experimentale. Datele experimentale au fost evaluate statistic determinându-se valorile medii
pentru un număr de 10 probe încercate, determinându-se rezistenţa mecanică la curgere
(σ0,2%), rezistenţa la rupere(σ r), deformarea relativă () şi dimensiunea medie de grăunte (d).
Dimensiunea medie de grăunte s-a determinat pe microscopul metalografic tip
REICHART cuplat cu o cameră de luat vederi, care prin intermediul unui program analog-
digital se analizează câmpul metalografic (imagine) pe calculator.
Parametrii mecanici şi microstructurali determinaţi sunt de interes pentru buna
funcţionare în condiţii normale a combustibilului nuclear tip CANDU 600 utilizat în centrala
nuclear-electrică de la Cernavodă.
2. MATERIALELE PRINCIPALE FOLOSITE ÎN CONSTRUCŢIA
INSTALAŢIILOR ENERGETICE
2.1. Generalităţi
Recipientele sub presiune sunt vase închise în care se află diferite fluide la o
presiune mai mare decât presiunea atmosferică sau sub vid la diferite temperaturi. În ateste
recipiente au loc operaţii fizice (amestecare, încălzire etc.) sau reacţii chimice.
Proiectarea, construcţia, repararea şi exploatarea recipientelor sub presiune sunt
supuse unor norme interne şi internaţionale.
Recipientele pot fi clasificate, în funcţie de grosimea peretelui, în două categorii:
- cu perete subţire când De
D i
≤1,2;
- cu perete gros când De
D i
>1,2;
în care: De = diametrul exterior şi Di = diametrul interior.
În industria chimică şi petrochimică se întâlneşte o mare varietate de tipuri
constructive de recipiente sub presiune care se pot clasifica:
- după forma corpului (cilindrice, sferice);
- după forma capacelor sau fundurilor (eliptice, sferice, conice);
- după modul de încălzire (cu manta sau serpentine).
În figura 2.1 se prezintă câteva tipuri constructive de recipiente sub presiune.
Figura 2.1
3
Alegerea tipului constructiv de recipient sub presiune are la bază aplicaţia
'industrială optima necesară funcţionării în condiţii de securitate maximă a instalaţiei.
4
2.2 Tipuri de materiale
a. Materiale metalice
Materialele metalice pentru construcţia recipientelor sub presiune trebuie să
îndeplinească condiţiile:
- tehnologice: deformabilitate şi comportare la sudare corespunzătoare;
- tehnice: rezistenţă mecanică şi la coroziune impuse la valori prescrise;
- economice: materialul să nu fie scump sau deficitar.
Tabla din oţel laminat sudabil cu granulaţie fină este materialul cel mai folosit în
construcţia recipientelor sub presiune. în funcţie de compoziţia chimică, tabla de oţel laminat
poate fi:
- oţel nealiat (de calitate, special);
- oţel aliat (special).
Conţinutul procentual al elementelor pe tipurile de categorii, conform EN 10028-3
este prezentat în tabelul 2.1.
Tabelul 2.1.
Mar
ca d
e oţ
el
Cat
egor
ia d
e oţ
el
Compoziţia chimică în procente
Cmax
Si max
MnP
maxS
maxAl
minCr
maxCu
maxMo max
N max
Nb max
Ni max
Ti max
V max
Nb+ Ti+V max
P275NOţel de calitatenealiat
0,18
0,40
0,5÷
1,400,030 0,025
0,02
0
0,30
0,30
0,08
0,20
0,05
0,50
0,03
0,05
0,05
P275NH
P275NL1
0,160,5÷
1,50
0,030 0,020
P275NL2Oţel
special nealiat
0,025 0,015
P355N Oţel de calitate nealiat
0,20
0,500,9÷
1,70
0,030 0,025
0,02
0
0,03
0
0,03
0
0,08
0,02
0
0,05
0,50
0,03
0,10
0,12
P355NHP355NL1
0,18
0,030 0,020
P355NL2Oţel
special nealiat
0,025 0,015
P460NOţel
special aliat
0,20 0,601,0÷
1,70
0,030 0,025
0,02
0
0,30
0,70
0,10
0,02
5
0,05
0,80
0,30
0,20
0,22P460NH
P460NLl 0,030 0,020
P460NL2 0,025 0,015
5
Oţelul nealiat conţine C, Mn, Si, P, S şi o serie de impurităţi (incluziuni
nemetalice) a căror conţinut este limitat.
Oţelurile aliate, pe lângă elementele de bază, mai conţin şi Cr, Ni, Mo, V, Cu, W,
clemente chimice ce formează carburi sau soluţii solide de carburi şi care îmbunătăţesc
caracteristicile mecanice, tehnologice şi structurale.
Oţelurile aliate conţin clemente de aliere în cantitate mai ridicată, care ridică şi
mai mult proprietăţile mecanice şi structurale.
Toate materialele metalice destinate construcţiei de recipiente sub presiune trebuie
să corespundă condiţiilor tehnice de recepţie precizate în standarde sau norme de produs.
Influenţa diferitelor elemente de aliere asupra proprietăţilor oţelurilor este
prezentată în tabelul 2.2.
Tabelul 2.2.
Element chimic
Conţinut Influenţa asupra proprietăţilor oţelului Observaţii
C
0,3 % Ridică rezistenţa şi duritatea oţelului Ridică duritatea şi prin carbonul echivalent
caracterizează comportarea la sudare
> 0,83 % Modifică negativ proprietăţile de călire
> 1,2 %Scade rezistenţa la tracţiune, creşte fragilitatea
oţelului, scade comportarea la sudare
Mn
0,8 ÷ 3 % Ridică limita de curgere Face inofensiv sulful, măreşte călibilitatea, duritatea, rezistenţa la
abraziune
12 ÷15 % Creşte rezistenta la uzură şi tenacitatea
> 15 % Se înrăutăţeşte comportarea la sudare
Si
> 2,5 % Scade prelucrabilitatea oţeluluiDezoxidează, creşte limita de curgere şi rezistenţa la rupere, scade rezilienţa, alungirea şi
gâtuirea la rupere
> 4%Oţelurile nu se mai laminează, se folosesc
numai turnate
12÷15 % Formează aliaje antiacide
Cr 12,5 Creşte rezistenţa la coroziune generalizatăCreşte călibilitatea, duritatea, rezistenţa la rupere, limita de
curgere şi de elasticitate
Ni -Creşte rezistenţa la rupere la temperaturi
ridicate în condiţii de coroziune generalizatăAlierea şi cu Cr creşte călibilitatea
W> 9 % Scade brusc gâtuirea şi alungirea la rupere
Măreşte duritatea şi călibilitatea> 2 % Oţelul devine greu sudabil
Mo -Creşte duritatea, rezistenţa la temperaturi înalte,
la coroziune şi fluaj
V 0,5 ÷ 0,7Creşte rezistenţa, elasticitatea şi duritatea şi
duritatea la temperaturi înalteLa > 1 % înrăutăţeşte calităţile
oţeluluiAl Creşte rezistentă la temperaturi înalte DezoxidantCu Creşte rezistenta mecanică şi la coroziune
Pentru a putea fi utilizate, tablele trebuie să aibă suprafeţe netede, lipsite de
defecte de tipul: exfolierilor, fisuri, pelicule de incluziuni metalice, suprapuneri de material
etc.
6
Table din oţel nealiat
Tabla din oţel nealiat şi din oţel aliat este cea care se utilizează cel mai des în
construcţia recipientelor sub presiune, cu condiţia ca ele să nu conţină fluide toxice,
inflamabile, explozive sau care dezvoltă fenomene de coroziune sub tensiune.
Caracteristicile mecanice ale acestor tipuri de oţeluri depind atât de compoziţia
chimică, cât şi de tratamentele termice la care au fost supuse la livrare.
În tabelul 2.3 s-au inserat câteva mărci de oţeluri nealiate şi aliate din România
folosite des în construcţia recipientelor.
Tabelul 2.3
Marca oţeluluis
[mm]
Temperatura (t) în °C20 100 150 200 250 300 350 400
Rm min. [N/mm2]
Rc min.[N/mm2]
Rct min. [N/mm2]
OL37.2K STAS 500/2-80
< 16363
235216 206 196 176 157 137 -16 - 40 225
> 40 206
OL37.4K STAS 500/2-80
< 16363
235216 206 196 176 157 137 -16 - 25 225
26 - 40 206
K410STAS 2883/3-88
< 16400
255- - 188 168 158 138 9516 - 40 245
41 - 60 225
K470 STAS 2883/3-88
< 16460
285- - 215 194 176 168 11816 - 40 275
41 - 60 265
K510 STAS 2883/3-88
< 16510
325- - 227 215 192 177 11816 - 40 315
41 - 60 295
16Mo3 STAS 2883/3-88
< 16430
275- - 220 205 176 168 16716 - 40 265
41 - 60 255
14CrMo10 STAS 2883/3-88
< 16430
305- - 255 237 215 203 19116 - 40 295
41 - 60 285
Dimensiunile formatelor de tablă se aleg în funcţie de necesităţi, respectând
condiţia economiei de material şi a scăderii numărului de prelucrări prin tăiere.
Structurile oţelurilor nealiate sunt ferito - perlitice, în şiruri alternante (figura 2.2)
cu duritatea maximă de 200 HV5, iar la oţelurile aliate structurile sunt ferito - perlitice, cu
carburi ale elementelor de aliere pe care le conţin (figura 2.3) cu duritatea de maxim 300
HV5.
7
Figura 2.2. Figura 2.3.
Oţelurile cu granulaţie fină (figura 2.4) sunt des folosite la construcţia
recipientelor sub presiune deoarece au limita de curgere ridicată, între 300 şi S00N/mm2,
asigurând totodată caracteristici de tenacitate corespunzătoare.
Sudarea oţelurilor nealiate nu ridică probleme deosebite, dar la oţelurile aliate pot
apărea structuri dure şi fragile, martensito - bainitice, cu duritatea mai mare de 500 HV5 în
ZIT (figura 2.5), care fragilizează îmbinarea sudată. De aceea, după sudare se aplică un
tratament termic post-sudare local, pe cordoanele sudate, sau total odată cu întreg recipientul.
Figura 2.4. Figura 2.5.
Aplicarea corectă a acestor tratamente termice post-sudare uniformizează
structurile din ZIT, rezultând structuri normale perlito - feritice cu sorbită fină (figura I 6) şi
carburi fine, a căror duritate nu depăşeşte 350 HV5. Aplicate greşit, aceste tratamente termice
pot să conducă la fisurarea îmbinării sudate, prin apariţia de fisuri microscopice care se
propagă în toată structura şi conduc, în final, la degradarea ei.
8
Figura 2.6.
Table din oţel aliat
Tabla din oţel aliat se foloseşte la construcţia recipientelor care conţin medii
corozive şi lucrează la temperaturi ridicate. Câteva mărci de oţeluri folosite sunt trecute în
tabelul 2.4.
Tabelul 2.4.
Marca oţelului
Temperatura (t) în ˚C
20 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
Rc min.[N/mm2]
Rm min.[N/mm2]
Rct min. [N/mm2]
Oţeluri inoxidabile cu structură feritică
X7Crl3(W 1.4000) DIN 17440
250 450 240 235 230 225 225 220 210 195 - - -
X10Crl3(W 1.4006) DIN 17440
300 550 285 275 265 260 255 245 230 215 - - -
X20Crl3(W 1.4021) DIN 17440
450 650 430 420 410 400 382 365 335 305 - - -
X22CrNil7(W 1.4057) DIN 17440
600 800 565 540 520 505 490 470 420 375 - - -
Oţeluri Inoxidabile cu structură austenitică
X5CrNil8-9(W 1.4301) DIN 17440
225 500 175 155 140 127 118 110 104 98 95 92 90
X5CrNiMol8-10(W 1.4401) DIN 17440
205 500 195 175 158 145 135 127 120 115 112 110 108
X5CrNiMol8-12(W 1.4436) DIN 17440
205 500 195 175 158 145 135 127 120 115 111 108 106
X2CrNiNI8-l0(W 1.4311) DIN 17440
270 550 245 205 175 157 145 136 130 125 121 119 118
Ca elemente de aliere se folosesc Cr, Ni, Mo, V etc. Majoritatea oţelurilor sunt
magnetice, cu excepţia oţelului tip 18/8 (18% Cr şi 8%Ni) care are o structură austenitică, cu
macle şi cu carburi complexe (figura 2.7).
9
În vederea prevenirii apariţiei coroziunii intercristaline, aceste oţeluri se
Stabilizează cu Nb, Ti, care au o afinitate mult mai mare pentru carbon decât cromul, formând
carburile de Nb sau Ti. În aceste condiţii, marea majoritate a cromului rămâne tu masa de
bază austenitică asigurându-i acesteia o rezistenţă mărită la fenomenele de coroziune
intercristalină.
Figura 2.7.
Sudarea acestor oţeluri se realizează atât manual, cât şi automat, structurile
apărute în zonele caracteristice îmbinărilor sudate (SUD, ZIT) sunt austenitice cu ferită delta
şi carburi complexe a căror duritate nu depăşeşte 300 HV5 în ZIT (figura 2.8) şi in SUD)
(figura 2.9).
Figura 2.8. Figura 2.9.
Aplicarea prelucrărilor mecanice la cald (tăiere, deformare, etc.) fac ca în acele
zone să scadă caracteristicile mecanice prin apariţia unui grăunte grosolan, fapt ce impune
aplicarea unui tratament termic de austenitizare în jurul temperaturii de 1100 °C care
restabileşte granulaţia austenitică iniţială.
10
Table placate
În vederea rezolvării problemelor legate de coroziunea din industrie, s-au adoptat
ca o soluţie tehnică şi economică tablele placate, in locul folosirii tablelor oţel aliat masiv se
utilizează o combinaţie între un oţel nealiat şi un placaj de oţel aliat anticorosiv. Aceste table
se obţin prin: laminare la cald sau rece, turnare, sudare sau explozie. In procesul de fabricaţie,
se urmăreşte ca stratul placat să nu se contamineze compoziţional de la stratul de bază şi să nu
apară între cele două metale un strat intermediar (figura 2.10).
Figura 2.10
Materialul de bază are, în general, proprietăţi de rezistenţă, conductivitate termică
şi electrică ridicate şi un cost redus. Sudarea tablelor placate ridică probleme în ceea ce
priveşte evitarea fenomenului de diluţie a metalului aliat. Duritatea tablelor placate în zonele
caracteristice nu trebuie să depăşească valoarea de 230 HB, respectiv 248 HV5 pentru a
asigura rezistenţa la coroziune sub tensiune în medii de lucru ce conţin H2 şi H2S.
Utilizarea acestor materiale placate peste temperatura de 700°C implică probleme
speciale de calcul din cauza caracteristicilor fizice diferite ale materialelor care se îmbină prin
placare.
Fonta
Aliajele fier-carbon cu conţinut de C mai mare de 2,06% (fontele) se folosesc
numai în cazuri speciale, când recipientul nu lucrează cu flacără sau gaz de ardere cu
temperaturi mai mari de 550°C sau mai mici de 0°C, şi când în recipient nu sunt substanţe
explozive sau inflamabile. Limita de utilizare a fontelor este prezentată în tabelul 2.5.
Astfel, fontele aliate cu Si (17% Si) sunt rezistente la acizi (acid sulfuric,
fosforic), la detergenţi, precum şi la alte medii corosive.
11
Tabelul 2.5.
Presiuneade calcul
interioară,MPa
Presiuneade calcul
exterioară,MPa
Diametrul exterior maxim al
recipientuluix 103 m
Materialul admis
≤ 0,6 ≤ 1,2 ≤ 1000 Fontele cu rezistenţă la tracţiune de 150 N/mm2 pana la temperaturi ale metalului cel mult egale cu 200°C; cele
cu rezistenţă la tracţiune de 200 N/mm2 până la temperaturi ale materialului cel mult egale cu 300°C≤ 0,3 ≤ 0,6 ≤ 2000
≤ 0,1 ≤ 0,8 ≤ 2000 Fontele cu rezistenţă la tracţiune de 200 N/mm2 până la temperaturi ale metalului cel mult egale cu 200°C; cele
cu rezistenţă la tracţiune de 300 N/mm2 până la temperaturi ale metalului cel mult egale cu 300 C≤ 0,3 ≤ 0,6 ≤ 3000
Fonta silicioasă cu molibden (14 ... 16% Si, 4-8% Mo), denumită anticlor, sc
utilizează la stocarea acidului clorhidric şi a sărurilor acestuia la temperaturi înalte, în im de
1000°C. Structura acestei fonte prezintă o masă ledeburitică, cu carburi sub formă de soluţii
solide (figura 2.11).
Fonta cu nichel (fontă austenitică), denumită şi fontă MONEL, conţine 13-36%
Ni şi 1,5...5% Cr cu 8% Cu şi 8% Si, are o rezistenţă deosebită la soluţii alcaline concentrate,
la acidul sulfuric şi la acizi anorganici şi organici până la temperaturi de 830°C.
Figura 2.11.
Oţeluri pentru piese forjate
Aceste oţeluri se pot utiliza atât la construcţia virolelor corpului recipientului, cât
şi pentru diferite piese (flanşe, capace, funduri) care se sudează de corp.
Se folosesc numai acele oţeluri ce pot asigura caracteristicile impuse şi anume:
- alungirea la rupere, A5 de min. 60%;
- rezilienţa KCU2 la + 20°C de min. 35 J/cm2;
- duritatea maximă de 180 HB pentru oţeluri nealiate şi de 220 HB pentru uleiuri
aliate.
12
Câteva exemple de mărci de oţeluri pentru piese forjate cu caracteristicile lor
mecanice, în special cele la temperaturi ridicate, sunt prezentate în tabelul 2.6.
Proprietăţile de forjabilitate ale oţelurilor depind în mare măsură de compoziţia lor
chimică (Mn şi Ni măresc forjabilitatea, iar Ni o reduce). Oţelurile pentru piese forjate se
livrează în blumuri şi pot fi sudate numai cu tehnologii calificate (omologate).
Tabelul 2.6
Marca oţelului
Temperatura (t) în °C20 200 250 300 350 400 450
Rm min.[N/mm2]
Rc min.[N/mm2]
Rct min. [N/mm2]
K510STAS 2883/3-80
470 300 230 210 190 160 130 -
K470STAS 2883/3-80
460 250 230 210 190 170 140 120
16Mo3STAS 2883/3-80
440 250 230 210 190 160 150 140
OLC20STAS 880-88
400 210 190 170 140 120 100 80
OLC25STAS 880-88
410 220 210 190 160 140 120 100
OLC35STAS 880-88
490 290 250 240 220 190 180 '-
33MoCrl 1 (CR)STAS 791-88
740 540 490 440 390 340 320 -
41MoCrll (N)STAS 791-88
640 540 480 460 430 390 350 -
Materiale metalice neferoase
Principalele materiale neferoase folosite în construcţia recipientelor sunt: cuprul,
aluminiul, nichelul, titanul, tantalul, zirconiul, niobiul, molibdenul, metale nobile (aur, argint),
precum şi aliajelor acestora.
Cuprul sub formele Cu E (99,95% Cu), Cu 9 (99,9% Cu), Cu 5 (99,5% Cu) şi
aliajele cu Zn şi Al se folosesc pentru construcţia recipientelor sub presiune la medii de lucru
corosive la temperaturi de max. 250°C. Se recomandă pentru executarea pieselor pentru
distilare la condensatoare, evaporatoare, pompe, conducte etc.
Alama (aliaj Cu-Zn) cu aluminiu (76% Cu + 22% Zn + 2% Al) are o mare
rezistenţă la coroziune sub tensiune. Cuprul şi aliajele sale nu se utilizează în prezenţa
acetilenei deoarece se formează acetilura de cupru, care este un produs exploziv. De
asemenea, în prezenţa amoniacului aceste materiale se corodează:
13
2 Cu + H2C2 => Cu2C2 + H2 (2.1)
Aluminiul se utilizează la piese ce nu lucrează la temperaturi peste 200°C, pentru
medii puternic corosive, cum ar fi acidul azotic concentrat. Rezistenţa la coroziune a
aluminiului pur, cât şi a aliajelor sale, depinde în special de tratamentul termic aplicat. Cu
aceste materiale se fac placări pe oţel nealiat sau aliat.
Nichelul în stare pură sau aliat prezintă o mare rezistenţă la coroziune fiind folosit
în cazul topitorilor de alcalii. În oţelurile de Cr-Ni, el stabilizează austenita, asigurând astfel o
rezistenţă ridicată a acestor aliaje la coroziune intergranulară.
Deseori cl se foloseşte la placarea pe oţel nealiat a componentelor ţeavă - plăcii
tubulară din instalaţiile tip schimbătoare de căldură.
Argintul pur se foloseşte la construcţia reactoarelor din industriile în care sc cere
o mare puritate. De asemenea, cu el se plachează tablele din oţel nealiat tic la construcţiile
speciale. Nu se foloseşte în prezenţa acetilenei deoarece se formează acetilura de argint,
compus exploziv:
H2C2 + 2 Ag => Ag2C2 + H2 ↑ (2.2)
Titanul face parte din grupa materialelor greu fuzibile şi este rezistent la
temperaturi ridicate, având punctul de topire de peste 1700°C. în atmosferă, la temperaturi
scăzute, se oxidează uşor acoperindu-se cu o peliculă de oxid compactă care-i imprimă o mare
rezistenţă la coroziune în apă, apă de mare, acizi etc. La încălzire la temperaturi mai mari de
500°C, titanul şi aliajele sale se oxidează uşor şi absorb oxigen, carbon, azot, hidrogen, care în
concentraţii mici formează soluţii solide, iar în concentraţii mai mari şi compuşi ca nitruri,
hidruri, carburi degradând plasticitatea, mărind mult fragilitatea şi micşorând sudabilitatea şi
rezistenţa la coroziune.
Rezistenţa la rupere a titanului pur este de 250 N/mm2 şi alungirea la rupere de
70%.
Titanul şi aliajele sale se folosesc în industria chimică la construcţia
echipamentelor pentru lucru în clor umed în soluţii apoase şi acide de clor, schimbătoare de
căldură care lucrează în acid sulfuric, etc.
Principalele elemente de aliere ale titanului sunt: Al, Mn, V, Mo, Cr, Si, Zr, Nb
care fac ca aceste aliaje să se clasifice în: aliaje α, α+β (figura 2.12) şi β.
14
Figura 2.12.
Zirconiul face parte tot din grupa materialelor greu fuzibile având o mare
rezistenţă la coroziune, proprietate ce depinde într-o mare măsură de puritatea sa: sutimi de
procente de carbon sau azot micşorează rezistenţa la coroziune a zirconiului, dar prin alierea
cu unele elemente, efectul dăunător al carbonului şi azotului este înlăturat. Temperatura de
topire este de 1852°C, rezistenţa la rupere (tracţiune) cuprinsă între 200-400 N/mm2 şi
alungirea la rupere cca. 30%.
Aliajele de zirconiu se formează prin aliere cu Sn, Al, V, Hf, W, Ti, Ta.
Zirconiul şi aliajele sale (bi - sau multicomponente) având o rezistenţă ridicată la coroziune se
folosesc la construcţia vaselor de reacţie cu activitate puternic corosivă.
Niobiul este un component al grupei materialelor greu fuzibile a căror proprietăţi
structurale şi mecanice depind de puritatea sa. Are limita de curgere la +20 °C de 250 N/mm2,
rezistenţa la rupere de 350 N/mm2, iar alungirea la rupere de 50%. Niobiul şi aliajele sale pe
bază de molibden, W, Zr, Ta, V etc. Sunt stabile la acţiunea sărurilor, acizilor sulfuric, azotic
şi fosforic, a apei regale şi acizilor organici la orice concentraţie la rece şi la temperaturi de
max. 150°C. La rece sunt stabile în aer şi în apă dulce şi sărată.
La ridicarea temperaturii Nb devine foarte activ şi se oxidează puternic în aer, are
loc o difuzie puternică a oxigenului în niobiu, ceea ce produce o durificare şi o fragilizare a
zonei afectate de oxigen.
Proprietăţi ca temperatură de topire foarte mare, refractaritate ridicată, stabilitate
la coroziune, secţiune eficace de absorbţie, fac ca nobiul şi aliajele sale să fie folosite frecvent
în construcţia aparatelor chimice şi petrochimice.
Tantalul are temperatura de topire de 2990°C, rezistenţa la rupere de 200N/mm2
şi gâtuirea la rupere de 90%. El este foarte stabil în acizi, soluţii de săruri şi metale topite. La
rece este stabil în aer, însă la încălzire are o slabă rezistenţă la oxidare şi este, de asemenea,
supus fragilizării prin absorbţia oxigenului care începe de la 300°C în aer.
15
Tantalul şi aliajele sale formate prin alierea cu W, Hf, C, V este folosit pe scară
largă (peste 20% din producţia mondială de tantal) la fabricarea echipamentului chimic.
b. Materiale nemetalice
Materiale nemetalice folosite în construcţia recipientelor pot fi:
- anorganice (sticla, gresia, porţelanul) ce pot lucra până la temperaturi foarte
înalte (aproximativ 1500°C). Un compus special sunt materialele ceramice cu oxizi de Al,
Mg, Zr, Si, numite sitali, ce prezintă o rezistenţă ridicată la agenţii oxidanţi;
- organice (policlorura de vinii), polietilena, propilena ce se folosesc până la
temperatura de 100°C şi sunt compuşi macromoleculari cu rezistenţă la medii corosive. Un
dezavantaj mare al acestor materiale este faptul că nu prezintă rezistenţă la fluaj şi la
coroziune sub tensiune. Noile materiale de tipul sticloplastice (fire de sticlă impregnate cu
răşini sintetice ) şi grafoplastice (electrografit impregnat cu răşini sintetice) se folosesc la
temperaturi ridicate, dar sunt foarte scumpe.
c. Materiale pentru şuruburi, prezoane, piuliţe
Materialele pentru şuruburi, prezoane, piuliţe se vor alege în funcţie de
temperatura de lucru, astfel până la 400°C oţeluri nealiate şi aliate, iar peste 400°C numai
oţeluri aliate. La temperaturi ridicate se vor utiliza numai prezoane elastice, acestea având o
comportare mai bună în exploatare în comparaţie cu şuruburile. O serie de materiale de
construcţie împreună cu caracteristicile lor mecanice sunt arătate în tabelul 2.7.
La temperaturi ridicate poate apare fenomenul de gripare a piuliţei pe prezon
(formarea unor oxizi care lipesc fíletele piuliţei şi prezonului), de aceea materialele celor două
elemente ale îmbinării vor fi diferite, se vor trata termic diferit sau se va croma unul din filete.
16
Tabelul 2.7.
Marca oţelului
Temperatura (t) în °C20 200 250 300 350 400 450 500
Rc min. [N/mm2]
Rm min.[N/mm2]
Rct min. [N/mm2]
OLC35STAS 880-88
300 510 250 240 220 200 180 - -
OLC45STAS 880-88
340 590 290 270 250 230 200 - -
13CrNi30STAS 880-88
410 590 - - - - - - -
33MoCr11STAS 791-88
540 740 490 441 390 340 330 - -
41MoCr11STAS 791-88
710 930 470 450 430 390 350 - -
24CrMoV5-5DIN 17240
579 680 490 470 450 431 401 372 340
21CrMo5DIN 17240
441 585 411 392 362 333 303 271 248
d. Materiale de construcţie pentru racorduri şi armături
Ţevi cu compoziţie chimică apropiată de cea a recipientului sub presiune se
folosesc pentru racorduri în vederea asigurării compatibilităţii la sudare. În tabelul 2.8 se dau
câteva oţeluri nealiate folosite frecvent la construcţia racordurilor.
Tabelul 2.8.
Marca oţelului
Temperatura (t) în °C20 200 250 300 350 400 450 500
Rm min.[N/mm]
Rc min.[N/mm2]
Rct min. [N/mm2]
OLT35STAS 8183-80
350 230 - - - - - - -
OLT45STAS 8183-80
450 260 - - - - - - -
OLT35-KSTAS 8184-80
441 254 205 205 196 166 143 117 -
OLT45-KSTAS 8184-80
441 264 245 235 225 215 205 186 166
Pentru armăturile recipientelor (aparate de măsură şi control AMC, ferestre de
observaţie, guri de vizitare etc.) se aleg ca materiale de construcţie oţelul nealiat, oţelul aliat
sau materiale neferoase, în funcţie de mediul din recipient cu care vin în contact. Se alege
întotdeauna materialul cel mai ieftin.
17
e. Materiale de etanşare
Etanşarea îmbinărilor cu flanşe se execută cu materiale ce se aleg în funcţie de
parametrii de regim şi cu natura fluidului de lucru. Aceste materiale trebuie să aibă asigurate:
rezistenţa la sfâşiere, la îmbătrânire, permeabilitate, rezistenţă la uzură etc. Cele mai des
folosite sunt:
Azbestul are două forme: crisotil (rezistent la baze) şi amfibol (rezistent la acizi).
Se utilizează la fabricarea garniturilor sub formă de plăci (STAS 7019-80) sau şnur (STAS
7018-96). Aceste garnituri se folosesc până la 400°C şi se utilizează pentru soluţii slab acide
sau alcaline, acizi organici sau anorganici, leşii de sodă, ape amoniacale, uleiuri, benzine,
motorine, alcooli, solvenţi etc.
Clingheritul este un material de etanşare care rezultă din combinarea azbestului
crisolitic cu cauciucul, deci îmbină proprietăţile celor două componente. Are o bună
compatibilitate şi o rezistenţă deosebită la pătrunderea gazelor sau lichidelor, rezistând până la
temperatura de 450°C.
Cauciucul natural are o bună rezistenţă la uzură şi rupere. Utilizarea lui la
fabricarea garniturilor este limitată datorită incompatibilităţii cu hidrocarburile şi datorită
faptului că îşi schimbă caracteristicile la temperatură ridicată.
Cauciucul sintetic se remarcă printr-o bună comportare atât la temperaturi
scăzute (-60°C), cât şi la temperaturi ridicate. Are o rezistenţă bună la baze, acizi, ozon şi
moderată la uleiuri. Petrolul, parafina şi uleiurile minerale îi provoacă umflarea şi înmuierea.
Policlorura de vinil este un termoplast folosit în construcţia garniturilor de
etanşare. Se recomandă pentru acizi, hidrocarburi şi uleiuri.
Teflonul şi hostaflonul sunt materiale de etanşare deosebite cu caracteristici
mecanice şi de rezistenţă la agenţi chimici. Se pot folosi la temperaturi scăzute şi ridicate, dar
ele sunt dure şi se prelucrează foarte greu. Pentru teflon caracteristicile tehnice sunt redate în
tabelul 2.9.
Materialele metalice folosite la confecţionarea garniturilor ce lucrează la
temperaturi şi presiuni ridicate sunt: cuprul, aluminiul, alama.
18
Tabelul 2.9.
Denumire material
Rezistenţa de rupere
la tracţiune [MN/m2]
Alungirea la rupere
[mm]
Rezistenţa la compresiune deformare
2% [MN/m2]
Rezistenţa la
încovoiere [MN/m2]
Modul de elasticitate [MN/m2]
Duritatea Shore D
la 20°Cla
150°CTeflon 24,5 - 35 300 - 450 - 5,72 350 55 - 63 -
Teflon cu fire de sticlă
15% 25,2 330 27,8 4,0 600 53 42
25% 18,9 270 31,6 4,2 700 55 44
Teflon cu praf de bronz
14,0 90 31,1 8,0 800 64 51
Teflon cu fire de sticlă 15% şi bisulfură de molibden
27,0 28 36,1 8,1 830 50 46
f. Materiale de adaos pentru îmbinările sudate
Materialele depuse în rosturile de sudură ale îmbinărilor sudate trebuie să aibă, de
regulă, aceeaşi compoziţie chimică, rezistenţă la coroziune ele. ca materialele de bază în
vederea asigurării compatibilităţii materialelor la sudare, la sudarea oţelurilor aliate,
materialele de sudare se aleg astfel încât pierderile de elemente de aliere în timpul procesului
de sudare să fie compensate.
Toate sudurile de montaj sau de remediere vor avea la bază tehnologii calificate
(omologate) pentru fiecare produs în parte, iar materialele folosite vor li garantate de
producător cu certificate de conformitate (de calitate).
19
2.3. Materialele utilizate în domeniul nuclear
Inerent pentru toate reactoarele nucleare, radierea intensă cu fotoni, electroni,
neutroni şi ioni grei, prezenţi în vecinătatea lor, produce modificări sensibile în materialele
din care sunt constituite. Detaliate în mecanismele lor la scară atomică, efectele observate ale
iradierii vor fi diferite după compuşii pe care îi activează.
În lumea industrială, dezvoltarea utilizării energiei nucleare în scopuri paşnice, nu
s-ar fi putut dezvolta fără utilizarea materialelor care pot rezista la iradiere. Orice sursă de
iradiere produce modificări asupra materialelor; în această lucrare, ne vom limita la
reactoarele nucleare de putere, examinând uneori reactoarele de cercetare (a se vedea
acceleratoarele de particule) înainte de a preciza anumite mecanisme care au loc .Ne vom
limita la conceptul generic de efect al iradierii cu detalii pentru utilizările industriale ale
reactoarelor cu apă presurizată (REP) şi reactoarele cu neutroni rapizi (RNR). Câteva ilustrări
complementare vor fi făcute relativ la reactoarele de cercetare de tip piscină şi la alte tipuri
precum reactoarele cu uraniu natural grafit gaz (UNQQ) sau reactoarele cu apă grea CANDU.
În ansamblurile complexe care sunt reactoarele nucleare, majoritatea elementelor
de structură nu se raportează la fenomene legate de prezenţa radiaţiei nucleare. Pentru a
preciza efectele iradierii asupra materialelor ne vom limita în special la elementele
constitutive ale generatoarelor de abur, cu toate că aceştia nu reprezintă decât o mică parte
dintr-o instalaţie de producere a energiei nucleare.
Energia nucleară eliberată prin fisiune este recuperată în mod special prin
combustibil sub formă de energie termică. Aceasta este evacuată prin intermediul agentului
primar şi utilizată la producerea aburului, care apoi este utilizat în grupul turbo-alternator. Nu
vom detalia specificitatea eventuală a părţii nenucleare.
20
a. Combustibilul
În special este constituit din uraniu îmbogăţit, în stare metalică în UNGG sau în
stare de oxid adică sub formă ceramică în majoritatea celorlalte reactoare. O variantă a acestui
oxid este oxidul mixt de uraniu şi plutoniu (MOX) pentru reactoarele cu apă sau amestec, (U,
Pu)O2, pentru reactoarele rapide. Variante ale acestui tip de combustibil ceramic vor fi luate
în considerare pentru reactoare hibride şi arzătoare de actinide sub formă de ţinte. Aceste
materiale sunt supuse la o iradiere intensă datorită fisiunii atomilor de uraniu sau de plutoniu
cât şi evoluţiilor chimice importante produse prin crearea de produşi de fisiune.
Combustibilul el însuşi este izolat de moderator şi agentul primar printr-o teacă
etanşă. După tipul reactorului, teaca este din aliaj de zirconiu pentru reactoarele cu apă şi din
oţel inoxidabil pentru reactoarele rapide. Aceste metale, care joacă un rol do primă barieră,
sunt supuse la doze de iradiere neutronică foarte importantă cu neutroni rapizi şi neutroni
termici. Vor avea loc importante efecte de iradiere care vor detaliate.
b. Agentul primar
Are drept scop transferul de energie termică din inima reactorului către
generatoarele de abur. în reactoarele termice, agentul primar este în general cu apă, apa
naturală sau apă grea. Pentru reactoarele rapide, se evită existenţa elementelor moderatoare în
agentul primar ceea ce duce la utilizarea metalelor lichide în general sodiul. Utilizarea gazului
ca şi agent primar aste de asemenea posibilă, de exemplu heliu în reactoarele de înaltă
temperatură sau gazul carbonic în reactoarele grafit - gaz, şi UNGG. Agentul primar este el
însuşi supus la o iradiere intensă , de aceea ne vom ocupa de fenomenele de radioliză care pot
apărea în apă.
c. Componentele cu funcţionare nucleară
Primul component având un rol în reacţia nucleară este moderatorul care poate,
încetini puţin câte puţin neutronii, transferând energia neutronilor rapizi la atomii uşori şi
puţin absorbanţi. Se utilizează apă naturală în reactoarele cu apă presurizată sau reactoarele cu
apă fierbinte, şi apă grea în reactoarele de tip CANDU.
21
Pentru a controla reacţia nucleară, se utilizează „absorbanţi”, elemente chimico
care au o secţiune eficace mare de captură de neutroni. Este vorba de bor utilizat sub formă de
carbură în barele de comandă (B4C) sau în soluţie în apă, sub formă de acid boric, pentru
reactoarele cu apă presurizată. Alte elemente absorbante, cum ar fi cadmiu sau indiu, sunt
utilizate în barele de control ale reactoarelor sub formă de aliaj argint - indiu - cadmiu, numite
AIC.
Aceste elemente, prin reacţiile nucleare de absorbţie pe care determină sunt
obiectul transmutaţiilor importante şi suferă modificări chimice în timpul iradierii. Otrăvurile
consumabile sunt elemente care au o mare secţiune eficace de captură de neutroni şi care
dispar rapid la începutul iradierii. Ele servesc ca rezervă de reactivitate pentru a compensa
epuizarea combustibilului. Gadoliniul este un exemplu de otravă consumabilă. Este deseori
adăugat la încărcări iniţiale cu combustibil sub formă de soluţie solidă în oxidul de uraniu.
Acest element are particularitatea că în timpul capturii unui neutron se transformă în izotop de
masă mai ridicată fără să îşi schimbe natura chimică.
d. Elemente de structură
Elementele de structură, care suportă ansamblul componentelor reactorului şi
asigură vecinătatea agentului primar şi/sau a moderatorului trebuie să reziste la iradieri
multiple provenind din interior. Metalele, cum vom vedea ulterior suni în particular rezistente
la iradierea neutronică şi ionică. Din contră, nu este cazul polimerilor datorită legăturii lor
covalente. La fel, compuşii ceramici nu sunt utilizaţi decât la temperatură înaltă pentru
aplicaţii relativ la combustibil. Elementele de structură au fost în consecinţă întotdeauna
realizate din metale şi aliaje.
Aliajele industriale care vor fi luate în considerare se referă la oţeluri, cum ar fi
oţelurile de construcţie pentru elementele sub presiune ale reactoarelor, sau Oţelurile
inoxidabile pentru structurile interne ale reactoarelor termice sau clementele de structură ale
reactoarelor cu neutroni rapizi. Alte metale pot fi folosite pentru reactoare mai puţin clasice,
cum ar fi aliajele de aluminiu pentru reactoarele de cercetare sau aliajele cu zirconiu pentru
reactoarele termice de tip CANDU şi reactoarele de tip RBMK, în cele două cazuri pentru
fabricarea tuburilor de forţă care conţin apa sub presiune. Aceste metale sunt toate supuse
efectelor de iradiere slabe pentru recipientele sub presiune şi mai importante pentru părţile
interne. Originea acestor efecte de iradiere rezidă în deplasarea atomilor produsă de fluxul
neutronilor rapizi.
22
23
2.4. Defecte de iradiere şi microstructură
În acest subcapitol se va examina cum defectele punctuale şi evoluţia lor au un
impact asupra microstructurii aliajelor metalice şi a proprietăţilor lor, fie că se referă la
comportarea mecanică sau a evoluţiilor geometrice. Aceste fenomene vor fi examinate într-o
manieră generică înaintea studiului unei serii de aplicaţii pentru aliajele industriale în
subcapitolele următoare.
a . Evoluţia defectelor punctiforme
Sub iradiere, concentraţia în vacanţe creşte puternic. Evoluţia acestei concentraţii
induce impacturi considerabile asupra comportamentului solidelor la iradiere, prin intermediul
mai multor efecte. Primul este creşterea fenomenelor de transport atomic. într-adevăr, difuzia
şi toate mecanismele pe care difuzia le controlează sunt dependente de concentraţia în valenţe.
Astfel iradierea va induce o acceleraţie a tuturor fenomenelor implicând o difuzie
(omogenizare, precipitare...).
Buclele de dislocaţie
La iradierile realizate în condiţii de temperatură clasică a reactoarelor, interstiţiile
şi vacanţele sunt mobile. Acestea pot deci să se întâlnească şi, dacă suni de naturi opuse, se
anihilează. Dacă sunt de aceeaşi natură vor forma ansambluri bivalente, trivalente şi
ansambluri echivalente pentru interstiţii. Aceste ansambluri se măresc şi formează bucle de
dislocări vacanţe sau interstiţiale. Aceste bucle sunt relativ mici şi densitatea lor este destul de
ridicată (diametrul mediu de ordinul de la 10 la 50 nm, pentru o densitate de 1021 până la 1023
m−3). De altfel vacanţele şi interstiţiile pot migra, pot întâlni dislocări şi pot disparea, ceea ce
duce la o creştere a dislocărilor şi ca orice deplasare de dislocări la o deformaţie a structurii.
Cum dislocaţiile formează o reţea şi sunt deci ancorate sub formă de segmente
aceste segmente îşi măresc lungimea. În cursul iradierii densitatea dislocaţiilor creşte până
când densitatea lor ajunge astfel încât rezoluţia micrografică a reţelei dislocatului devine
practic imposibilă. Anumite observaţii recente raportează o dispariţie a reţelei de dislocaţii cu
foarte mare influenţă, detaliile mecanismului responsabil rămân actualmente aproape
necunoscut.
24
Fie că este prin formarea buclelor, sau prin creşterea dislocaţiilor, deplasarea
dislocaţiilor asociată acestor condensări de defecte punctiforme se traduce local p modificări
geometrice, (figura 2.13).
Figura 2.13
Deformaţiile induse de bucle
Din punct de vedere macroscopic dacă orientarea buclelor sau orientare mişcării
creşterii dislocaţiilor este aleatorie se obţine în medie o deformaţie nulă. Din contră dacă
există o cauză care să conducă la o precipitare a buclelor sau o creştere a dislocărilor
anizotrope, se obţine o deformaţie macroscopica. Două cauze principale pol induce o astfel de
anizotropie.
Prima cauză de anizotropie poate fi legată de material el însuşi anizotrop. Este
cazul zirconiului sau al altor metale cu slabă simetrie cristalină. Urmare a deformaţiilor de
fabricaţie şi a tratamentelor termomecanice, cristalele elementare, adică grăunţii se orientează
preferenţial după anumite direcţii în spaţiu. Se dezvoltă în material o textură cristalografica.
La această textură, pentru cristale anizotrope se asociază o anizotropie a proprietăţilor.
Această anizotropie indusă de textură duce la o anizotropie de condensare şi deci la
deformaţie. Fenomenul rezultant este o deformaţie macroscopică a elementului considerat, de
exemplu o alungire pe o axă particulară şi asta în lipsa oricărei solicitări aplicate. Acest
fenomen poartă numele de deformare.
A doua sursă de anizotropie poate fi indusă de solicitările mecanice. Astfel
datorită unei forţe de tracţiune, buclele interstiţiale vor nuclea într-un plan perpendicular pe
25
direcţia principală de tracţiune. Buclele de vacanţe vor migra pe o direcţie paralelă cu axa de
tracţiune. De asemenea, interacţiunea defectelor punctiforme cu dislocaţiile va depinde de
orientarea lor relativă în raport cu forţele aplicate. Concentrarea defectelor punctiforme asupra
dislocaţiilor va fi deci favorizată pentru orientările care vor face să lucreze solicitările
mecanice. Vom avea astfel o deformaţie continuă sub iradiere în sensul forţei aplicate. Este
mecanismul fluajului de iradiere, a cărui contribuţie la joasă temperatură poate fi mult
superioară fluajului termic. Fluajul de iradiere se caracterizează printr-o viteză de deformare
aproximativ liniară cu forţa aplicată.
b. Formarea de cavităţi şi umflături
La temperaturi intermediare, de ordinul a 400 până la 500°C pentru oţelurile
inoxidabile, se observă un fenomen de regrupare a golurilor sub formă de cavităţi. Formarea
acestor cavităţi este asistată de crearea heliului în interiorul materialului, (figura 2.14).
Figura 2.14
Acesta provine din reacţii de tip (n, α). Aceste cavităţi, cu diametrul de câteva
fracţiuni de microni, sunt repartizate regulat în material. Prezenţa lor se traduce printr-o
diminuare continuă a densităţii materialului (umflare) şi deci printr-o modificare a geometriei
globale a piesei în care este constituit.
Umflarea este un fenomen limitator al reactoarelor cu neutroni rapizi, în măsura în
care deformaţiile pot atinge peste 10%.
26
c. Transporturile atomice accelerate datorită radiaţiei
Printre fenomenele de transport modificate de radiaţii un caz important este cel al
creşterii mişcării de întoarcere către condiţiile de echilibru ale aliajelor metalice. Astfel la
aliaje suprasaturate, metastabile în condiţii normale de funcţionare, se p vedea structurile lor
evoluând în timpul iradierii pentru a se întoarce către structurile cele mai apropiate de
echilibrul termodinamic.
Această precipitare (sau punere în soluţie) accelerată de iradiere relevă fenomene
cunoscute în metalurgie şi previzibile cu ajutorul diagramelor fazelor, dar care nu erau
observabile la aceste temperaturi din cauze cinetice.
De exemplu, cuprul este practic insolubil în fier. După o omogenizare la
temperatură înaltă (600 până la 700°C) şi răcire rapidă, cuprul se află în soluţie suprasaturată
în ferită. El nu ar putea precipita decât în urma unui tratament la înaltă temperatură (>500°C).
în acest timp, datorită iradierii, această precipitare poate avea loc începând cu 300°C. Acest
fenomen poate cauza fragilizarea oţelurilor folosite la elemente mecanice, de tip recipiente .
La fel se întâmplă şi pentru aliajele zirconiu - niobiu utilizate în inima reactoarelor
cu apă. Niobiul este un element de adiţie a zirconiului cu concentraţie slabă (1 până la 3%).
Este solubil către 600 °C la aceste concentraţii, dar rămâne foarte puţin solubil la temperatură
joasă. în timpul fabricaţiei, niobiul este pus în soluţie în zirconiu dar nu poate precipita de o
manieră semnificativă în timpul tratamentelor termice ulterioare. în acest timp, în timpul
iradierii, niobiul suprasaturat poate precipita la temperaturi de iradiere sub formă de mici
particule bogate în niobiu. Acest fenomen apare în aliajele zirconiu - niobiu utilizate la
tuburile de forţă ale reactoarelor CANDU şi la tecile Zr 1%. Întoarcerea la o stare metalurgică
mai apropiată de echilibrul termodinamic se traduce de altfel printr-o ameliorare a rezistenţei
la coroziune a acestor aliaje după iradiere.
Un alt fenomen important legat de difuzia defectelor punctiforme este fenomenul
de segregare indusă de iradiere. Defectele punctuale create de iradiere sunt mobile şi
difuzează în grăunţi pentru a dispărea în soluţia de la limita grăunţilor, iar unirea grăunţilor
este eficace. În timpul difuziei acestor defecte punctuale, interacţiunea între defectele
punctuale şi anumite elemente de aliere sau anumite impurităţi minerale pot induce un cuplaj
de difuzie.
Aceasta va duce la apariţia unei segregări a acestor elemente către un loc unde
defectele punctuale dispar: astfel un atom mic se va asocia cu un interstiţiu care îl antrenează
către unire. În partea opusă, atomii foarte mobili compensează fluxul vacanţelor care dispar la
27
unire şi îmbogăţesc corpul grăuntelui (efect Kirkendall invers). Se poate de asemenea obţine o
îmbogăţire semnificativă sau o sărăcire a unui element dat sau a mai multor clemente la
nivelul unirii grăunţilor .
d. Deplasarea echilibrelor termodinamice
Dacă iradierea poate accelera întoarcerea la echilibru în anumite aliaje, pot avea
loc alte fenomene care să ducă la o evoluţie a condiţiilor de echilibru termochimic. Astfel, în
condiţiile unde în mod normal un element particular poate precipita sau se poate pune în
soluţie se poate observa sub iradiere o deplasare semnificativă a temperaturii şi compoziţiei
corespunzătoare echilibrului fazelor. Astfel se obţine o nouă diagramă a fazelor sub iradiere.
In acest timp trebuie avută grijă la faptul că noţiunea de diagramă a fazelor şi echilibrul
termodinamic nu se aplică în condiţiile iradierii. într-adevăr şocurile induse atomilor şi
salturile de energie impuse local prin transfer de energie între atomi şi neutroni sau între ioni
sunt mult superioare variaţilor de energie indusă de agitaţia termică. Explorarea minimului de
energic a sistemului prin teoriile de termodinamică statistică, vizând precizarea fazelor la
echilibrul termodinamic, nu este adaptată la situaţiile de iradiere. De exemplu, sub fluxul
iradiaţiei neutronice pot apare faze noi sau pot dispare faze cunoscute pentru că sistemul va
opta pentru o stare nouă de pseudo-echilibru dinamic.
e. Dezordinea indusă de iradiere
În cazul aliajelor diluate, precum oţelurile, înlocuirea unui atom de fier cu un alt
atom de fier sau la oţelurile inoxidabile a unui atom de fier cu un atom de crom sau nichel nu
are un efect specific. Efectul iradierii în timpul recombinării între vacanţe şi interstiţii, nu
influenţează după anihilare. Din contră în cazul compuşilor poliatomici, de tip AB 2 sau AB,
înlocuirea unui atom A cu un atom B va avea loc când un interstiţiu de un tip dat se va găsi în
imediata apropiere a unei vacanţe de alt tip. într-adevăr suma energiilor interstiţiului şi
vacanţelor e mai importantă decât energia atomului poziţionat în spaţiu într-o altă poziţie
chimică, numită reaşezare. Prin acest mecanism, aliajul ordonat va suporta un efect de
dezordine, unde ordinea la mare distanţă între atomii de tip A şi B este distrusă şi unde se
obţine o organizare aleatorie pe poziţii cristaline a atomilor A şi B. Această dezordine chimică
poate modifica proprietăţile de coeziune ale materialului conduce fie la transformarea fazelor,
fie la o eventuală amorfizare.
28
Figura 2.15
De exemplu, figura 2.15 arată un compus intermetalic Zr (Fe, Cr)2 care devine
puţin câte puţin amorf plecând de la interfaţa precipitat matrice. Acest fenomen este în parte
responsabil de degradarea rezistenţei la coroziune a acestor aliaje după iradiere.
În cazul cristalelor ionice, înlocuirea unui atom cu un altul este adesea dificilă din
cauza interacţiunilor coulombiene şi a valorilor mari care ar putea lua energic de un anion
într-o poziţie cationică. Comportarea cristalelor ionice la iradiere este în mod particular
complexă.
29
3. CARACTERISTICI GENERALE ALE REACTORULUICANDU –PHWR 600
Denumirea CANDU (CANadian Deuterium Uranium) desemnează tipul de
reactor de putere, de concepţie canadiană, ce utilizează uraniul natural drept combustibil şi
apă grea (D2O) ca moderator şi agent termic.
Dezvoltarea acestui tip de reactor s-a bazat pe faptul deja cunoscut încă de la
începutul cercetărilor legate de fisiunea nucleară că apa grea reprezintă moderatorul care
oferă cea mai bună economie de neutroni, permiţând astfel realizarea ciclului de combustibil
cu uraniu natural.
Spre deosebire de reactorii cu vas calandria sub presiune, reactorul CANDU–
PHWR este un reactor cu tuburi de presiune.
Vasul calandria a acestui tip de reactor este constituit dintr-un cilindru orizontal,
din oţel inoxidabil, cu diametrul de 7600 mm şi lungimea de 6000 mm, încastrat într-o incintă
de beton, căptuşită cu oţel. Această incintă este umplută cu apă uşoară (ordinară), ce serveşte
atât ca ecran biologic de protecţie cât şi ca agent de răcire.
Vasul calandria propriu-zis este traversat de 380 de tuburi de forţă (sau canale
de combustibil) paralele la axa cilindrică şi dispuse într-o reţea carteziană. Fiecare tub de forţă
este fabricat dintr-un aliaj de zirconiu-niobiu, are diametrul exterior de 112 mm şi diametrul
interior 103 mm.
El conţine 12 fascicule de combustibil, puse cap la cap, fiecare fascicul având
lungimea de 500 mm. În reactorul CANDU–PHWR 600, fiecare fascicul este compus din 37
elemente combustibile.
Prin tuburile de forţă este pompată apa grea la o presiune de 100 at şi o
temperatură de~290 °C, cu scopul de a răci combustibilul şi a transfera căldura de la acesta
spre exterior, către generatorii de vapori.
Apa grea, ce serveşte ca moderator şi reflector de neutroni, ocupă spaţiul dintre
tuburile de forţă şi din jurul acestora, fiind izolată complet de circuitul de transfer termic.
Izolarea termică a moderatorului este asigurată prin amplasarea fiecărui tub de
forţă într-un alt tub concentric, cu diametrul exterior de 132 mm, numit tub de calandru.
Spaţiul inelar dintre cele două tuburi este umplut cu un gaz. Căldura produsă în moderator
(prin conducţie sau prin interacţiunea directă a neutronilor de fisiune şi cu radiaţia) reprezintă
numai ~5% din cea rezultată în procesul de fisiune nucleară propriu-zis.
30
Ea este disipată cu ajutorul unui sistem propriu de răcire al moderatorului. Această
fracţiune de energie poate fi utilizată în diferite scopuri practice (sere, piscicultură etc.).
Proiectanţii sistemului CANDU au ales în mod special conceptul unui reactor cu
tuburi de forţăFig.3.1., dat fiind adaptabilitatea lui particulară la capacitatea industriei
canadiene de a furniza aproape toate componentele necesare acestui concept, inclusiv a
vasului calandria.
Figura3.1. Schema simplificată a centralei nuclear-electrică tip CANDU-600 PHWR
Însă realizarea sa practică nu ar fi posibilă fără punerea în prealabil la punct a
fabricării unor aliaje de zirconiu cu absorbţie redusă de neutroni, capabile a fi utilizate la
confecţionarea tuburilor de forţă.
Acest tip de reactor prezintă şi o serie de alte avantaje de ordin economic, printre
care amintim:
a) Eliminarea pericolului unei rupturi catastrofale a vasului sub presiune. O
ruptură eventuală, chiar bruscă, a unui tub de forţă prezintă consecinţe mai puţin grave,
scurgerile fiind mici înaintea spargerii propriu-zise. Prin urmărirea continuă a gradului de
umiditate al gazului din spaţiul inelar, se poate detecta, identifica şi înlocui la timp, tubul de
forţă defect. Acest lucru nu este posibil în cazul altor tipuri de reactori.
b) Temperatura joasă a moderatorului conduce la o îmbunătăţire suplimentară a
economiei de neutroni care, de fapt şi aşa, este superioară reactorilor de putere cu apă
uşoară(LWR).
31
c) În plus, datorită temperaturii relativ scăzute, volumul mare al moderatorului
poate servi, în cazul unor accidente ipotetice, şi ca disipator suplimentar de căldură.
d) Dispozitivele de reactivitate şi de reglaj sunt situate între tuburile de forţă, într-
un mediu benign, la o presiune şi o temperatură joasă, deci este exclusă apariţia unui accident
cauzat de ejecţia unei bare de combustibil în afara zonei active, lucru de care trebuie ţinut
seama în cazul reactorilor cu vasul sub presiune.
e) Conceptul cu tuburi de forţă permite reîncărcarea cu combustibil în cursul
funcţionării reactorului. Acest lucru reprezintă un avantaj important din punct de vedere
economic, asigurând factori de utilizare excepţionali în raport cu alte tipuri de reactori. În
acest sens, reactorul CANDU posedă o performanţă medie superioară, cu ~20%, faţă de
reactorii concurenţi.
f) Este posibilă localizarea unei eventuale rupturi de teacă de combustibil într-un
anumit canal, prin detecţia prezenţei produşilor de fisiune la ieşirea din tuburile de forţă.
În cazul în care are loc o astfel de ruptură, posibilitatea de reîncărcare cu
combustibil în timpul funcţionării reactorului permite înlocuirea rapidă a fasciculului de
combustibil defect, fără a fi nevoiţi a mai aştepta perioada următoare de întreţinere. Astfel,
concentraţia produşilor de fisiune din circuitul de transfer termic poate fi redusă la minim,
asigurându-se prin aceasta protecţia radiologică a operatorilor.
g) Conceptul de reactori cu tuburi de forţă permite împărţirea circuitului de
transfer termic. În reactorul CANDU-PHWR 600 există două bucle separate, fiecare în formă
de opt, ce servesc cele 380 de canale de combustibil ca în figura3.2.(190 de canale în
jumătatea stângă şi 190 de canale în jumătatea dreaptă). Circulaţia agentului termic este
bidirecţională, făcându-se în direcţii opuse, în două canale adiacente. Există deci patru
generatori de vapori, câte doi la fiecare extremitate a reactorului.
Această împărţire limitează, în cazul unei rupturi ipotetice a unei bucle, pierderile
de agent termic, diminuând astfel consecinţele nedorite.
32
Figura3.2.Distribuţia tuburilor de presiune în vasul calandria
h) Separarea moderatorului de agentul termic permite reglajul izotopic şi chimic,
individual, al celor două fluide.
Valoarea minimă admisă pentru concentraţia izotopică în deuteriu a moderatorului
este de 99,75%D2O(în greutate).În cazul agentului termic aceasta poate varia între 99,75 -
97,15%D2O(în greutate).
i)Frecvenţa reâncărcării cu combustibil poate fi variată de la o regiune la alta a
reactorului sau chiar de la un canal la altul. Acest lucru îi conferă reactorului CANDU-PHWR
600 o mare flexibilitate în stabilirea distribuţiei de putere.
Proiectul acestui sistem a avut la bază următoarele deziderate majore:
-realizarea unei economii maxime de neutroni şi folosirea unui ciclu de
combustibil deschis, cu uraniu natural, acest avantaj fiind util statelor cu acces limitat la surse
de combustibil îmbogăţit;
-folosirea apei grele ca moderator şi agent termic;
-utilizarea unor componente ale căror costuri de fabricaţie şi exploatare să fie
scăzute, deci obţinerea de energie electrică să se realizeze pe principii rentabile.
-funcţionarea să prezinte o siguranţă maximă în exploatare.
În consecinţă s-a impus realizarea următoarelor obiective:
33
-construirea unui sistem de transport al căldurii la înaltă presiune;
-realizarea unor maşini de încărcat-descărcat pentru realimentarea zonei active în
timpul funcţionării reactorului;
-realizarea unui generator de abur de înaltă presiune pentru transferarea căldurii
din apă grea în apă uşoară la un cost şi randament rezonabil cu o fiabilitate ridicată.
34
4. CARACTERIZAREA ZIRCONIULUI ŞI A ALIAJELOR SALE
4.1. Zirconiul
Zirconiul a fost descoperit în anul 1789 de către chimistul M.H. Klaproth, într-o
varietate de zircon, de culoare galben-fumurie numită jargon, din Ceylon. Denumirea acestui
element derivă din cuvântul persan ”zerk” care înseamnă piatră preţioasă.
Sub formă metalică el a fost preparat pentru prima dată de către J.J.Berzelius, în
anul 1824. Chimistul suedez reuşeşte separarea zirconiului atât din silicatul de zirconiu cât şi
din dioxidul de zirconiu. Mai întâi se obţine un complex – hexafluorzirconiatul de potasiu
(K2ZrF6) – pe care-l tratează apoi cu potasiu metalic, obţinând astfel zirconiul, conform
reacţiei :
K2ZrF6+4K→6KF+Zr
Zirconiul rezultat este sub formă de pulbere, fără o aplicabilitate imediată, o
curiozitate de laborator.
Descoperirea în anul 1897 a aluminotermiei de către H.Goldschmidt, prin care cu
ajutorul aluminiului, se puteau separa diferite metale din oxizii lor, a permis utilizarea acesteia
şi pentru separarea zirconiului din ZrO2, conform reacţiei :
3ZrO2+4Al→2Al2O3+3Zr
obţinându-se zirconiul metalic aproape pur.
Utilizările industriale ale zirconiului stimulează noi cercetări în domeniul separării
acestui metal, dezvoltându-se astfel noi procedee de obţinere.Dintre acestea amintim:
-reducerea oxidului de zirconiu cu calciu:
ZrO2+2Ca→2CaO+Zr
-reducerea silicatului de zirconiu cu carbon, tratarea carburii obţinute cu clor şi
reducerea tetraclorurii de zirconiu cu magneziu;
-electroliza unei topituri formată dintr-un amestec de hexafluorzirconiat de potasiu
cu ClK şi ClNa.
35
4.2. Elaborarea zirconiului
Zirconiul este un element destul de răspândit în natură, conţinutul său în scoarţa
terestră fiind de peste 0,028 %. El este al 11-lea element ca abundenţă, situându-se înaintea
cuprului, plumbului, nichelului, şi zincului. Nu există în stare nativă, ci numai sub formă de
oxizi şi săruri (silicaţi). Cel mai răspândit mineral de zirconiu este zirconul sau silicatul de
zirconiu impur(cu 61-67%ZrO2), -ZrSiO4-ce se găseşte în prezenţa rutilului(TiO2) şi
ilmenitului(FeTiO3), cu un conţinut în hafniu de 2-3%. Adesea acest mineral este incolor,
transparent sau opac, dar de multe ori prezintă culori foarte variate: roşie, brună, oranj,
albastră, violetă etc. Cristalele mari de zircon seamănă cu cele ale diamantului. Forma sa
cristalină şi coloraţia sa au făcut ca acest mineral să fie utilizat în trecut ca piatră preţioasă.
Al doilea mineral de zirconiu ca importanţă este badeleitul, care se prezintă sub
forma unui oxid impur (96,5%ZrO2) ce conţine ca impurităţi siliciu şi 0,5-1% hafniu.
Principalele zăcăminte de nisipuri zirconifere se află în Statele Unite ale Americii,
Austria, Brazilia, U.R.S.S., India, Senegal. Zăcămintele de badeleit sunt situate în special în
Brazilia, fie sub formă de roci, fie în aluviunile râurilor.
Toate mineralele de zirconiu conţin şi hafniu, în cantităţi de ordinul a 0,5-3% în
greutate. Sunt însă cazuri în care acest procentaj se poate ridica până la 20%.
Elaborarea zirconiului se face prin mai multe etape:
- etapa chimică;
- etapa metalurgică;.
- etapa de utilizare;
- condiţionarea zirconiului;
- controlul de calitate etc;
Pentru elaborarea zirconiului în stare metalică, compuşii principali ai
acestuia,utilizaţi ca materii prime sunt tetraclorura de zirconiu (ZrCl4) şi oxidul de zirconiu
sau zircita (ZrO2). În unele metode de elaborare a zirconiului prezintă interes şi alţi compuşi,
cum sunt tetrafluorura de zirconiu sau fluorzirconiatul de potasiu.
Cel mai important compus îl reprezintă însă tetraclorura de zirconiu. Reducerea sa
prin magneziotermie constituie reacţia de bază a principalului procedeu de elaborare a
zirconiului, procedeul Kroll.
Pentru elaborarea compuşilor de bază ai metalurgiei zirconiului (tetraclorura de
zirconiu,oxidul de zirconiu şi eventual, fluorzirconiatul de potasiu) într-o formă cât se poate
36
de pură, etapa chimică urmăreşte tratarea mineralelor de zirconiu (zircon, badeleit etc.),
deoarece conversia acestor compuşi la zirconiu metalic nu reprezintă decât o etapă de
reducere, ce nu contribuie la îmbunătăţirea purităţii.
Dezagregarea zirconiului, de exemplu, se poate face fie printr-un proces de
clorurare, fie printr-un proces de fluorurare. Primul procedeu se utilizează mai ales când
clorura rezultată urmează a fi folosită la prepararea zirconiului metalic. Cel de-al doilea,
pentru obţinerea tetrafluorurii de zirconiu sau a fluorzirconiatul de potasiu (K2ZrF6).
Toţi compuşii rezultaţi din dezagregarea zirconiului au un conţinut ridicat de
impurităţi (aluminiu, titan, fier, siliciu etc.). Pe lângă acestea zirconiul mai este însoţit şi de
hafniu.
Dintre impurităţile prezente cel mai greu se separă titanul, datorită proprietăţilor
chimice apropiate de cele ale zirconiului.
Separarea fierului se bazează pe faptul că combinaţiile zirconiului hidrolizează
mai repede decât cele ale fierului.
În cazul utilizărilor nenucleare ale zirconiului,prezenţa hafniului nu deranjează. În
cazul aplicaţiilor în domeniul nuclear,odată cu descoperirea faptului că aceste elemente se
deosebesc în modul de interacţiune cu neutronii (zirconiul având secţiunea eficace de absorţie
a acestora de α˚=0,18 barni, iar hafniul de α=115 barni), separarea lor a devenit obligatorie,
concentraţia maximă permisă a hafniului în zirconiu fiind de 0,01%.
Proprietăţile chimice asemănătoare ale celor două elemente fac extrem de dificilă
operaţia de separare a lor. Dintre metodele de separare elaborate în acest scop amintim:
cristalizarea fracţionată, precipitarea fracţionată; distilarea fracţionată şi extracţia cu solvenţi.
Dintre acestea numai metoda extracţiei cu solvenţi stă la baza majorităţii procedeelor
industriale de dehafniere a zirconiului. Aceasta se datorează unor avantaje legate în primul
rând de obţinerea unor factori de separare mult mai mari decât în cazul utilizării celorlalte
metode şi prin aceasta a reducerii costului de separare.
Reactivitatea chimică ridicată a zirconiului metalic determină apariţia unor
dificultăţi serioase în operaţia de reducere a compuşilor săi.
Ca şi în cazul uraniului,plutoniului,toriului şi beriliului,prepararea zirconiului
metalic se poate face prin reducerea chimică a halogenurilor sau dioxidului, electroliza
sărurilor topite şi prin descompunerea termică a halogenurilor.
37
Reducerea chimică a dioxidului.
Dat fiind faptul că produsul final al majorităţii procedeelor de dehafniere este
ZrO2, s-a încercat folosirea directă a acestui compus ca materie primă pentru prepararea
zirconiului metalic. Deşi au fost întreprinse numeroase studii, reducerea ZrO2 nu a dat
rezultate satisfăcătoare, în special în privinţa purităţii produsului obţinut, motiv pentru care
acest procedeu n-a putut fi aplicat la scară industrială.
Reducerea chimică a tetraclorurii.
Tetraclorura de zirconiu se obţine prin acţiunea directă a clorului gazos asupra
ZrO2 , la temperatura de 800˚C,în prezenţa grafitului foarte pur, conform reacţiei:
ZrO2+2Cl2+C→ZrCl4+CO2
care este o reacţie exotermă. Tetraclorura rezultată este condensată într-un
condensor de nichel, la temperatura de 150-250˚C. O ultimă purificare se asigură, de obicei,
prin sublimare.
Reducerea chimică a ZrCl4 este în prezent principala metodă de preparare a
zirconiului metalic.Operaţia de reducere poate fi efectuată cu ajutorul metalelor alcaline,
alcalino-feroase şi aluminiului.Mai bine studiată este reducerea cu Na,Mg,Ca şi Al.
În industrie, cea mai largă răspândire a câştigat-o reducerea ZrCl4 cu magneziu,
cunoscută sub denumirea de procedeul Kroll.În acest scop este utilizată reacţia
ZrCl4+2Mg→2MgCl2+Zr
la presiunea atmosferică.Ea permite reducerea ZrCl4 în faza de vapori (în
atmosfera de gaz inert) cu magneziu lichid conţinut într-un creuzet de fier la temperatura de
~750-800˚C.Eliminarea aerului din instalaţie şi purificarea prealabilă a ZrCl4 permit o scădere
substanţială a conţinutului de oxigen şi de azot din zirconiul obţinut.
Reducerea chimică a fluorurilor.
Fluorurile ZrF4, K2ZrF6 şi Na2ZrF6 prezintă faţă de ZrCl4 avantajul că sunt mult
mai puţin hidroscopice şi, prin urmare, metalul obţinut conţine o mai mică cantitate de
oxigen.Cu toate acestea, acest procedeu de reducere nu s-a aplicat până acum la scară
industrială.A fost folosit numai la scară de laborator, pentru prepararea unor aliaje de Zr-
U,Zr-Th şi Zr-Sn-U în scopul unor studii a diagramelor de echilibru, a proprietăţilor fizice şi a
rezistenţei la coroziune.
38
Prepararea zirconiului prin electroliză.
Încercările de depunere catodică a zirconiului metalic din soluţii apoase sau
organice nu au dat rezultate pozitive, datorită marii reactivităţi a acestui material.
Prin electroliză se poate obţine, în general, zirconiu sub formă de pulbere
amestecată cu topitura sărurilor utilizate.
Purificarea zirconiului prin procedeul Van Arkel.
În anul 1925, În urma unor cercetări întreprinse de Van Arkel şi de Boer asupra
descompunerii termice a halogenurilor de zirconiu, s-a pus la punct un procedeu de preparare
a zirconiului de mare puritate şi cu bune proprietăţi mecanice, prin descompunerea termică a
ZrI4. Ulterior procedeul a fost aplicat la purificarea pulberii de zirconiu metalic impur,
preparate prin alte procedee.
În principiu, operaţia de purificare a zirconiului poate fi despărţită în două etape:
în prima etapă, zirconiul impur este atacat de vaporii de iod la temperatura de 250˚C,
formându-se ZrI4, iar în etapa a doua are loc disocierea ZrI4 pe suprafaţa unui filament de
wolfram sau, mai bine, de zirconiu, încălzit la temperatura de 1300˚C, metalul depunându-se
pe filament, iar iodul reintrând în circuit,conform schemei:
Zr¿ Metal ¿impur ¿
¿+ 2 I 2vapori
2⃗500 C ZrI 4vapori
1⃗3000C Zr ¿ Metal ¿
pur ¿¿+ 2 I 2
vapori
¿
Întregul proces este format din patru procese elementare: sinteza ZrI4, difuzia prin
gaz a vaporilor de ZrI4 , descompunerea termică a ZrI4 pe suprafaţa filamentului şi difuzia prin
gaz a vaporilor de iod.
Purificarea zirconiului prin fuziune.
Fuziunea într-un cuptor cu fascicul de electroni poate constitui un alt mod de
purificare a zirconiului, bazat pe existenţa oxizilor volatili, la temperatura de ~2000˚C, sub
vid înaintat. Procedeul constă dintr-o simplă topire a metalului, cu o viteză lentă, într-un astfel
de cuptor. Rezultatele obţinute sunt ceva mai slabe decât cele obţinute cu procedeul Van
Arkel. Se pot însă obţine şarje de zirconiu cu un conţinut în oxigen de sub 100 p.p.m., ceea ce
este suficient pentru scopurile practice.
Condiţionarea zirconiului.
39
Buretele de zirconiu rezultat poate fi decupat, presat, măcinat în bucăţi de
dimensiunea unei alune,controlat din punct de vedere al calităţii şi stocat în lăzi cu atmosferă
de argon. Acesta mai poate fi topit şi turnat în lingouri de zirconiu metalic ductil.
Controlul de calitate.
Controlul de calitate efectuat asupra zirconiului obţinut prin unul din procedeele
de mai sus este în esenţă analitic: trebuiesc determinate aproximativ 30 de elemente şi trebuie
răspuns la norme extrem de severe, deoarece, exceptând fierul, oxigenul şi carbonul, limitele
admise nu depăşesc 100 ppm, fiind chiar inferioare ppm-ului,pentru otrăvurile nucleare, ca
borul, cadminul sau litiul.
Pentru analiză pot fi utilizate o serie de metode, dintre care amintim: volumetria,
colorimetria, fuziunea reducătoare în baie de platină sub vid sau în atmosferă de argon,
combustia în oxigen, activarea, fluorescenţa de radiaţii X, spectroscopia optică de emisie etc.
În mod curent se utilizează însă spectroscopia optică de emisie, fie pe oxid, fie – de preferat –
pe metalul masiv.
Etapa metalurgică cuprinde operaţiile începând cu obţinerea lingoului de aliaj de
zirconiu şi terminând cu manufacturarea produselor finite (ţevi, bare,sârme, benzi etc.).
Lingoul de zirconiu se elaborează prin topirea unor probe obţinute prin presarea
buretelui de zirconiu, a deşeurilor de zirconiu şi a elementelor de aliere (sub formă pură sau
de aliaje) în cuptoare cu arc, în vid, sau în cuptoare cu fascicul de electroni, în vid.
Deformarea plastică la cald a lingoului de zirconiu se face prin procedeele clasice
de forjare, laminare, extrudare, urmărindu-se atât obţinerea de semifabricate de diferite forme,
cât şi realizarea unor structuri adecvate ale grăunţilor. Pentru evitarea impurificărilor cu gaze
sau cu alte elemente, în cursul prelucrării, se iau o serie de precauţii deosebite.
Prin operaţiile de deformare plastică la rece şi de tratamente termice se urmăreşte
realizarea formei finale a procesului, o calitate deosebită a suprafeţei, precum şi obţinerea
unei microstructuri care să confere proprietăţile mecanice cerute în utilizare (rezistenţă
mecanică, stabilitate la condiţiile de lucru, rezistenţă la coroziune etc.). Un loc important în
procesul de fabricaţie a acestor materiale îl reprezintă controlul de calitate. Efectul
temperaturii asupra zirconiului se materializează printr-o scădere a rezistenţei acestuia, iar
creşterea conţinutului de oxigen, printr-o creştere a rezistenţei la tracţiune şi curgere, însoţită
de o scădere a alungirii.
40
4.3. Proprietăţile zirconiului şi a aliajelor sale
Zirconiul este un element chimic ( metalic ) din grupa a-IV-a a sistemului periodic
al elementelor a lui Mendeleev, cu numărul atomic 40 şi masa atomică 91,22. De culoare alb-
cenuşiu lucios, el se prezintă sub două forme alotropice:Zrα, care cristalizează în sistemul
hexagonal compact şi Zrβ, care cristalizează în sistemul cubic cu volum centrat.Temperatura
de tranziţie a formei α în forma β este de 862˚C.În combinaţii chimice se găseşte în stare bi-,
tri- sau tetravalentă, valenţa cea mai întâlnită fiind +4.
În mod natural, zirconiul se prezintă sub forma unui amestec de cinci izotopi
stabili. Secţiunea eficace medie de absorbţie a neutronilor termici(la viteza de 2200m/s), în
cazul zirconiului natural, luat ca element chimic, este de 0,18 barni.
Proprietăţile fizice ale zirconiului
Varietăţi alotropice. Zirconiul prezintă două forme alotropice: forma ά, stabilită
până la temperatura de 862˚C, şi forma β, deasupra acestei temperaturi, până la punctul de
topire.(tabelul 4.1.).
Tabelul 4.1. Caracteristicile cristalografice ale zirconiului
Denumire Zirconiu α Zirconiu β
Structura cristalină hexagonal compact cub centrat
Grupe Schönflies D46h O9
Parametrii reţeleia0 =3,2321Å (25˚C)
c0 =5,1474Å (25˚C)
a =3,609Å (862˚C)٭
a =3,616Å ± 0,002
(980˚C)
Distanţa
interatomică
d1=3,1788 Å (distanţa minimă de
apropiere)
d2 =3,2312 Å (25˚C)
d1 =3,2083 Å (C˚862) ٭
d =3,1255Å٭
Volum per atomv= 23,273Å (25˚)
v=23,807Å (862˚C)*v=23,503Å3 (862˚C)
*valorile obţinute pentru aliaje de zirconiu cu 2 sau 4 % uraniu.
41
Contracţia în volum la transformarea α → β este de 0,66%.
Pentru temperatura de transformare alotropică se dau valorile de 862˚C,863±3˚C
şi 865±10˚C. Elementele de aliere pot reduce sau extinde domeniile de existenţă a acestor
transformări.
Densitatea. Zr ά, la temperatura de 25˚C, are densitatea de 6,50 g/cm3. Literatura
dă valori între 6,28 – 6,53g/cm3. Valoarea densităţii Zrά la temperatura de 863 ˚C este
estimată la 6,36g/cm3, iar cea a Zrβ, la temperaturi de peste 863˚C, de 6,40g/cm3.
Proprietăţile termice:
- punct de topire:
1855±15˚C; 1845±25˚C; 1852˚C; 1860˚C; 1855˚C;
- punct de fierbere:
3700˚C; 4400˚C; 5000˚C; 3600˚C.
- coeficienţi de dilatare termică:
Zr α pe axa c:
(6,106±0,01398 t)•10-6/˚C
pe axa a:
(5,599± 0,002241t)•10-6/˚C
ambele expresii fiind valabile în intervalul 0 – 600˚C(t – temperatura în ˚C);
Zr β, pentru zirconiul nealiat:
9,7ּ10-6/˚C, în intervalul 870–1327˚c.
Alte valori :
5,4ּ10-6/˚C, în intervalul 20–200˚C şi
- pe axa c: 6,15ּ10-6 /˚C
- pe axa a: 5,69ּ10-6/˚C
la temperatura de 250˚C.
Proprietăţile termodinamice.
În cele ce urmează se vor utiliza notaţiile: H pentru entalpie, cp si cv pentru căldura
specifică molară la presiune constantă şi la volum constant, S pentru entropie, G pentru
energia liberă.
42
Funcţiile termodinamice ale zirconiului în stare solidă, de la temperatura
ambiantă la 1400 K :
- Variaţia entalpiei (în cal/mol):
- pentru Zr α:
43
H0T – H0298,16 =6,83ּT+0,56ּ10-3ּT2+0,87ּ105ּT-1–2378
pentru intervalul de temperatură de 298–1135 K; precizie: 0,2%
- pentru Zr α:
H0T – H028,916 =7,27ּT–1163
pentru intervalul de temperatură de 1135–1400 K; precizie:0,3%.
- Ecuaţiile pentru căldura specifică molară (în cal/molּK) obţinute din expresiile
de mai sus:
- pentru Zr α:
cp=6,83+1,12ּ10-3ּT–0,87ּ105ּT-2
pentru intervalul de temperatură de 298–1135 K;
- pentru Zr β:
cp=7,27 pentru intervalul de temperatură de 1135–1400 K.
În cazul intervalului de temperatură de 298,16–900 K, pentru Zrα avem:
cp=4,26+4,14∙10-3∙T+0,56∙105∙T-2
Câteva valori ale lui cp, pentru diferite temperaturi sunt date în tabelul 4.2. ce
reprezintă căldura specifică a zirconiului în funcţie de temperatură:
Tabelul 4.2. Căldura specifică a zirconiului în funcţie de temperatură
Temperatura [˚C] cp[în cal/g.˚C]
Camerei 0,0692
127 0,0739
427 0,0815
727 0,0862
862 Zr α 0,0880
862 Zr β 0,0797
1127 0,0797
Conductibilitatea termică
Valorile conductibilităţii termice determinate experimental sunt prezentate în
tabelul 4.3. ce reprezintă conductibilitatea termică a zirconiului în funcţie de temperatură:
44
Tabelul 4.3. Conductibilitatea termică a zirconiului în funcţie de temperatură
Material
X[W/cm/C]
25˚C 50˚C 100˚C 200˚C 300˚C
Zr 100% 0,211 0,209 0,204 0,196 0,187
97%Zr-3%U 0,140 0,141 0,142 0,144 0,147
Zircaloy-2 0,146 0,144 0,141 0,139 0,140
Între conductibilitatea termică χ(în w/cm/˚C) şi conductibilitatea electrică
specifică, λs’ (în (μΩ cm)-1) există relaţia empirică:
χ=0,0308 (λs–0,00327)∙T+0,0381, T fiind dat în K.
Proprietăţile electrice:
Rezistivitatea electrică a zirconiului depinde considerabil de puritatea metalului
şi de trecutul său metalurgic, precum şi de anizotropia creată de structura hexagonală a Zr α.
Valorile rezistivităţii electrice pentru zirconiu de diferite provenienţe, la
temperatura de 20˚C sunt următoarele:
― zirconiu Van Arkel, de înaltă puritate: 44,1 μΩ cm;
― zirconiu redus cu Mg, retopit şi uzinat : 54 μΩ cm;
― zirconiu redus cu Mg, trefilat la rece: 52,5 μΩ cm;
― zirconiu redus cu Mg, retopit,fir recopt: 50,5μΩ cm;
― zirconiu mai puţin pur, redus cu Mg, fir tras la rece:60μΩ cm.
În general, rezistivitatea electrică scade cu creşterea presiunii.
45
Tabelul 4.4. Conductibilitatea electrică a zirconiului cu un conţinut de 0,04% hafniu
Temperatura [˚C]Conductibilitatea electrică
[cal/s∙cm∙˚C]
50 0,05
100 0,049
150 0,048
200 0,047
250 0,046
Supraconductibilitatea zirconiului apare la o temperatură de sub Tc=0,68 K. Date
mai recente indică o temperatură de tranziţie în stare de supraconductibilitate de T c=0,63 K,
respectiv de 0,3 K.
Coeficientul de temperatură al rezistenţei electrice a zirconiului este de 4,4∙10-3.
46
4.4. Proprietăţile mecanice ale zirconiului
Vom prezenta printr-un tabel 4.5. caracteristicile mecanice, la temperatură
ambiantă, pentru zirconiu metalic laminat la rece şi recopt, în faza α, pentru diferite calităţi de
zirconiu.
Zirconiul Van Arkel şi zirconiul Kroll prezintă la temperatură ambiantă,
proprietăţi foarte diferite, putându-se considera adesea ca două metale distincte, dificil de
comparat.
La tracţiune, zirconiul şi aliajele sale se comportă ca majoritatea metalelor
neferoase, adică prezintă o tranziţie gradată de la comportamentul elastic la cel plastic.
Duritatea zirconiului este în funcţie de compoziţia metalului şi starea sa
structurală. Aceasta este extrem de sensibilă la prezenţa oxigenului, variind între 20 -60
pentru intervalul de 0 -2,5% atomi. Zirconiul cel mai pur prezintă o duritate de 20 Rockwell.
În schimb, majoritatea aliajelor de zirconiu prezintă durităţi în domeniul 45 -65 Rockwell.
Efectul iradierii asupra proprietăţilor mecanice.Iradierea cu neutroni a zirconiului
şi aliajelor sale conduce la creşterea limitei elastice şi a sarcinii de ruptură.Are loc o scădere a
ductibilităţii şi deci a alungirii la rupere .
Rezistenţa la coroziune.
Este, în general, foarte bună. Metalul nu este atacat de majoritatea
acizilor,reactanţilor chimici şi de apa de mare.Impurităţile din zirconiu îi reduc însă mult
rezistenţa la coroziune.Viteza de coroziune a zirconiului variază în limite foarte largi,de la
câteva mg/dm3∙an,până la distrugerea completă a materialului în câteva zile.
În prezenţa unui oxidant, suprafaţa zirconiului se acoperă cu un strat compact de
ZrO2 monoclinic.Creşterea bruscă a vitezei de coroziune poate fi explicată prin tranziţia ZrO2
de la forma cubică sau tetragonală la cea monoclinică,sau prin fisurarea stratului de oxid, ca
urmare a tensiunilor interne datorate creşterii mai rapide a grosimii stratului în dreptul
limitelor dintre granule.
În apă, coroziunea zirconiului şi a aliajelor sale are loc conform reacţiei:
Zr+2H2 O→ZrO2+2 H2
Analiza proceselor de coroziune a tecilor de combustibil nuclear impune studiul
acestora în condiţiile termice de funcţionare a tecilor.Se impune deci o analiză a vitezei de
coroziune, în corelaţie cu fluxul termic existent pe suprafaţa externă a tecii de
47
combustibil.Procesul de coroziune nu este pronunţat când stratul de oxid este de grosime
redusă, dar creşte rapid în cazul straturilor groase de ZrO2.Accelerarea acestui proces este o
consecinţă a dependenţei vitezei de coroziune de temperatură.
Tabelul 4.5. Proprietăţile mecanice ale zirconiului
Tip de zirconiuMod de topire
Istoricfabricaţie
Grosimegranule [mm]
Limita deelasticitate[kg/mm2]
Sarcina la
rupere[kg/mm2]
Deformarela rupere
[%]
DuritateRockwell
Burete Kroll
topire prin inducţie
în creuzet de grafit
laminat la 8540C
recopt 30 min,
răcit cu aer
0,0350,045
26,4 43,2 21 54
Burete Kroll
topire prin inducţie
în creuzet de grafit
laminat la rece
30%, recopt la
1h la 7000C
0,025 25,2 39,6 24 50
Burete Kroll
topit în arc
laminat la rece
30%, recopt la
1h la 7000C
0,035 26,4 44,5 30 54
Zr Van Arkel
topit în arc
laminat la rece
30%, recopt la
1h la 7000C
0,035 11,5 25 36 34
Zr Van Arkel
topit în arc
Laminat la cald
la 7000C, laminat la rece 66%,
recopt la 1,5h la 6000C
0,02 6,6 24,4 47 48
48
Constante elastice.
Valoarea modului Young, E, la temperatură ambiantă:
― pentru zirconiu Kroll:E=9 760 kg/mm2
― pentru zirconiu Van Arkel:E=9 020 kg/mm2
Valorile pentru acest modul variază în literatură între 9 000-10 000
kg/mm2.Valoarea cea mai corectă: 9 630 kg/mm2.
Modulul de torsiune; la temperatura de 20˚C,are valoarea de 3 450±50 kg/mm2
Acţiunea oxigenului.
Începe spre temperatura de 200˚C şi se manifestă printr-o creştere în greutate a
probelor,după o cinetică de formă parabolică,ceea ce indică formarea unui strat
protector.Această cinetică se menţine la orice temperatură şi pe durate lungi.Peste 500˚C se
face simţită difuzia oxigenului în metal şi accelerarea procesului de oxidare.Oxidul format
este zirconiul (ZrO2).Căldura de formare a acestuia la temperatură ambiantă este:
H928,16= ―261,5 ± 0,2 kcal / mol
Coeficientul de difuzie a oxigenului în metal poate fi calculat cu expresia:
D(cm2/s) = 9,4 e –51 780/RT cm2/s
în intervalul 400 ―585˚C şi cu expresiile:
Dα= 0,196 e ―4 100/RT cm2/s pentru Zr α
Dβ=0,0453 e―28200/RT cm2/s pentru Zr β
în intervalul 1 000―1 500˚C.
Pentru intervalul de temperatură dintre 400 – 1 500˚C, se obţine prin interpolare
relaţia:
Dα = 5,2 e―50 800/RT cm2/s
Coeficientul de difuzie a oxigenului în Zr α poate fi calculat şi cu expresiile:
Dα = 69,2 e ―56187/RT cm2/s, în intervalul 400 - 700˚C
Dα = 9,13 ∙10-5 e ―29815/RT cm2/s, în intervalul 700 - 850˚C.
Acţiunea aerului.
Acţiunea aerului asupra zirconiului începe ca şi cea a oxigenului,urmând o lege
parabolică, apoi, după un timp, variabil cu temperatura, apare o schimbare bruscă a cineticii,
care devine practic liniară.Trecerea acestui punct de tranziţie este însoţită de o modificare
profundă a stratului de oxid,care devine alb uniform, cu tendinţă de fisurare. Acesta este
fenomenul de descămare.
49
Acţiunea hidrogenului.
În absenţa unui strat protector de oxid, absorbţia hidrogenului poate avea loc la
temperatură ambiantă. În mod normal însă ea nu se observă decât începând de la temperatura
de 200˚C, când este însoţită de expansiune notabilă, corespunzătoare formării hidrurii.
Contrar oxigenului şi azotului ce formează cu zirconiul compuşi stabili, hidrogenul poate fi
extras în întregime din metal, prin încălzirea acestuia, sub vid înaintat ,la temperatura de
600˚C.
Coeficientul de difuzie a hidrogenului în zirconiu este mult mai mare decât cel al
oxigenului şi azotului:
D=6∙10-6 cm2/s la 400˚
D=10∙10-6 cm2/s la 500˚C
D=16∙10-6 cm2/s la 600˚C.
Pentru domeniul de temperatură 60 - 250˚C,coeficientul de difuzie a hidrogenului
în Zr α se poate calcula cu relaţia:
Dα=A∙10-3 e -11400/RT cm2/s
unde A=1,09 pentru hidrogen şi respectiv A=0,73 pentru deuteriu.
Date experimentale arată că dependenţa de temperatură a coeficientului de difuzie
poate fi exprimată prin:
Dα=2,17∙10-2 e -8380/RT cm2/s
Limita de solubilitate a hidrogenului în zirconiu variază cu temperatura, conform
relaţiei:
Ns=9,9∙104 e -8250/RT p.p.m.
Acţiunea apei şi a vaporilor de apă asupra zirconiului.
Apa si vaporii de apă au o acţiune analoagă cu cea a aerului, dar mai rapidă.
Această accelerare este atribuită hidrogenului eliberat prin reducerea apei, absorbită parţial de
metal, pe care-l fragilizează.
50
4.5. Proprietăţile mecanice ale aliajelor de zirconiu.
Zirconiul industrial obişnuit nu poate atinge gradul de puritate dorit, care să-i
asigure rezistenţă la coroziune şi proprietăţile mecanice corespunzătoare.Dacă nu se adoptă
precauţii speciale în procesul de elaborare a zirconiului, în material pot fi introduse o serie de
impurităţi, cele mai dăunătoare fiind gazele (O,N,H) şi carbonul.
Azotul şi carbonul îi reduc rezistenţa la coroziune, hidrogenul îl fragilizează, iar
oxigenul îl durifică, devenind astfel greu de prelucrat.
Pentru combaterea tuturor efectelor nedorite se recurge la alierea zirconiului. Prin
alierea acestuia cu staniul, fierul şi nichelul se obţin aliajele de zirconiu cunoscute sub
denumirea de Zircaloy.
Tabelul 4.6.Compoziţia chimică a unor aliaje de zirconiul
Aliaj
Conţinutul în elemente de aliere [%]
Sn Fe Cr Ni Nb
Zircaloy-2 1,5 0,14 0,1 0,06 -
Zircaloy-4 1,5 0,17 0,12 - -
Aceste aliaje prezintă o rezistenţă mult mai bună la coroziune, posedă o rezistenţă
mecanică superioară, sunt suficient de ductibile şi prezintă proprietăţi nucleare apropiate de
cele ale zirconiului pur. Unele din proprietăţile rezistente ale zirconiului şi aliajelor sale sunt
prezentate în tabelul 4.7.
Tabelul 4.7.Valorile rezistenţelor la rupere şi a rezistenţelor la curgere pentru zirconiu şi
aliajele sale
MaterialTempera-
tura[˚C]
Rezistenţa
la rupere[MPa]
Rezistenţa
la curgere
[Mpa]
Zirconiul pur 25 354 110
Zirconiul recopt 260 171 65
Zircaloy -2 25 1180 945
Zircaloy -2 250 868 559
51
Valorile prezentate în tabelul de mai sus sunt strict orientative, întrucât
proprietăţile mecanice ale zirconiului şi ale aliajelor sale depind mult de modul de fabricaţie a
acestora.
Categoria de aliaje ale zirconiului cu niobiul(cu un conţinut de Nb de 1%
respectiv 2,5% în greutate) prezintă proprietăţile mecanice şi de rezistenţă la coroziune mult
mai bune decât aliajul de Zircaloy-2, în special la temperaturi înalte.
Influenţa impurităţilor şi elementelor aditive asupra caracteristicilor mecanice.
Zirconiul pur este un metal moale, ductil, uşor de fabricat. Adaosurile mici de fier,
crom, nichel şi staniu conduc la o creştere importantă a rigidităţii, reducându-i corespunzător
ductibilitatea. Dacă prezenţa acestor metale poate fi evitată cu unele precauţiuni, nu acelaşi
lucru se poate întâmpla cu oxigenul, prezent în operaţiunile de reducere sau topire, cu efecte
negative majore asupra ductibilităţii zirconiului. Pentru a menţine contaminarea cu oxigen la
minim sunt necesare tehnici de vid corespunzătoare.
Efectul azotului asupra zirconiului este întrucâtva similar cu cel al
oxigenului,contribuind şi el la creşterea durităţii. Cantităţile mici de hidrogen în zirconiu au
un efect de fragilizare mai mare decât oxigenul şi azotul. Hidrogenul formează o hidrură
friabilă ce se precipită, în timpul răcirii, sub formă de plachete, provocând fragilizarea.
Prezenţa carbonului în zirconiu conduce la modificări minore în caracteristicile
mecanice de tracţiune.
Aliajele cu aluminiu prezintă rezistenţă mecanică foarte ridicată, la cald.
Aluminiul îi scade însă rezistenţa la coroziune, la apă şi vaporii de apă. Adaosul de plumb îi
ameliorează comportarea la temperaturi ridicate. Aliajele de staniu posedă o bună rezistenţă la
deformare, atât la temperatură ambiantă cât şi la temperaturi moderate(până la 500˚C). Staniul
îi îmbunătăţeşte comportarea la coroziune faţă de apă şi vaporii de apă.
Efectul temperaturii asupra proprietăţilor mecanice.
Rezistenţa zirconiului scade rapid cu creşterea temperaturii.Adaosul de oxigen îi
creşte substanţial rezistenţa la temperatura camerei,dar acest efect se pierde la temperaturi
înalte. Adaosul de staniu, ca element de aliere, îi creşte rezistenţa atât la temperatura camerei
cât şi la temperaturi înalte.Rezistenţa la tracţiune,la temperatură înaltă este crescută şi de
prezenţa molibdenului, titanului, şi aluminiului.
52
4.6. Aplicaţiile zirconiului şi a aliajelor sale
Dezvoltarea accelerată a metalurgiei zirconiului la scară industrială reprezintă o
consecinţă directă a dezvoltării energeticii nucleare. Ea a determinat prepararea lui în cantităţi
de ordinul tonelor şi, prin aceasta a contribuit la reducerea substanţială a preţului şi la
deschiderea de noi perspective în domeniul aplicaţiilor practice.
Datorită proprietăţilor nucleare, fizice şi chimice, favorabile, (secţiune eficace
redusă pentru absorţia neutronilor termici(σ =0,18 barni), proprietăţi refractare excelente
datorită temperaturii de topire înalte (1845˚C), rezistenţă mecanică bună la acţiunea radiaţiilor
şi la coroziune etc.) zirconiul a devenit unul din principalele materiale de structură atât pentru
industria chimică clasică cât şi pentru industria nucleară. Prin aliere cu staniu, fier, crom,
nichel, niobiu, aluminiu şi molibden, zirconiul a oferit o gamă întreagă de aliaje,cu proprietăţi
fizico-chimice şi nucleare remarcabile, cunoscute sub numele de Zicaloy. Ele prezintă o
rezistenţă mecanică superioară, sunt suficient de ductibile şi au proprietăţi nucleare apropiate
de cele ale zirconiului pur.
Aplicaţii în domeniul nenuclear
Datorită calităţilor excelente de rezistenţă la coroziune în multe soluţii,zirconiul şi
aliajele sale şi-au găsit multiple aplicaţii majore,în special ca materiale de structură pentru
echipamentele din industria chimică,cum sunt:
- schimbătoarele de căldură, cu un spectru larg de aplicabilitate (industria acidului
acetic, a acidului sulfuric, a altor acizi organici);
- coloanele de stripare şi de uscare, pentru industria acidului sulfuric (la
concentraţii de peste 55% în greutate),a acidului acetic, a altor acizi organici;
- cuvele de reactori şi tancurile pentru medii corosive (acid sulfuric, compuşi
organici etc.);
- conductele în reactorii cu etilbenzen;
- pompele şi valvele destinate vehiculării mediilor corosive;
- filierele pentru fibrele sintetice.
Printre alte aplicaţii mai amintim pe cele legate de rafinarea
magneziului,gelificarea uleiurilor vegetale,dezoxidarea oţelurilor,cataliza diferitelor reacţii
chimice,precum şi pe cele din domeniul pirotehniei,chirurgiei etc.
53
Aplicaţii în domeniul nuclear
Zirconiul şi aliajele acestuia constituie la ora actuală unul din principalele
materiale de structură ce intră în subansamblele zonei active a reactorilor termici şi anume:
- tecile de combustibil;
- fasciculele de combustibil;
- tuburile de calandru;
- piesele de asamblare şi de rezistenţă etc.
Zirconiul este utilizat , în aceste scopuri, sub două forme: fie sub formă de
zirconiu pur,din care azotul este eliminat prin procedeul Van Arkel,fie sub forma aliajelor de
zirconiu, denumite, după cum ştim Zircaloy,mai puţin costisitoare,dar, din păcate,mai puţin
rezistente decât zirconiul Van Arkel.
Materialele utilizate pentru fabricarea tecilor de combustibil prezintă aşadar, o
importanţa deosebită,întrucât ele împiedică trecerea produşilor de fisiune din combustibilul
ars în agentul termic şi evită corodarea combustibilului de către acest agent,ceea ce ,în caz
contrar,ar duce la distrugerea şi dispersarea lui în circuitul de transfer termic. În plus, ele
asigură rezistenţa mecanică a elementelor combustibile în timpul manipulării şi funcţionării,
permiţând transferul termic de la combustibil la agentul termic. Din aceste motive, aceste
materiale trebuie să reziste la solicitările mecanice şi termice,la iradiere şi la acţiunea corosivă
a agentului termic, să absoarbă cât mai puţini neutroni şi să se activeze slab.
Zirconiul şi aliajele sale răspund acestor exigenţe ,ele posedând:
- proprietăţi mecanice bune,în domeniul temperaturilor înalte,asigurând astfel
stabilitatea pe durata funcţionării;
- proprietăţi nucleare corespunzătoare (secţiune eficace redusă de absorţie a
neutronilor), asigurând o economie de neutroni acceptabilă. O nerespectare a economiei de
neutroni ar conduce la o supradimensionare inutilă a zonei active pentru atingerea criticităţii;
- transfer termic adecvat necesităţii limitării temperaturii combustibilului sub
cea critică, de topire a acestuia;
- compatibilitate bună cu materialul combustibil şi agentul termic;
- compatibilitate chimică bună cu celelalte materiale;
- capacitate de conservare bună a caracteristicilor mecanice în câmp intens de
radiaţii, ceea ce le conferă atât stabilitatea cât şi performanţele maxime în condiţiile de
funcţionare a reactorului;
- conductibilitate termică înaltă.
Caracteristicile legate de absorţia neutronilor în aceste materiale sunt foarte
54
importante, în special pentru reactorii ce funcţionează cu uraniu natural, unde
absorbţiile parazite trebuie reduse la minim.
Aliajele de zirconiu reprezintă aşadar, materiale potrivite pentru fabricarea tecilor
de combustibil destinate reactorilor cu apă uşoară respectiv cu apă grea (LWR si PHWR), la
temperaturi de ~300˚C.
Dintre aliajele de zirconiu cele mai utilizate în acest scop pentru reactorii cu apă şi
cei cu sodiu, cu combustibil metalic sunt Zircaloy-2 şi Zircaloy-4. Zircaloy-2 posedă cea mai
bună rezistenţă la coroziune şi cele mai bune caracteristici mecanice. Se utilizează la
fabricarea tecilor de combustibil pentru reactorii cu apă. El se fragilizează însă în urma
absorbţiei hidrogenului rezultat din radioliza apei. Zircaloy-4 înlătură acest neajuns,prin
eliminarea nichelului din compoziţia sa, care favorizează absorbţia hidrogenului. El este
utilizat în reactorii răciţi cu apă uşoară, apă grea sau lichide organice.
Aceste două aliaje prezintă deci avantajul unor caracteristici nucleare
corespunzătoare, cu consecinţe benefice pentru economia de neutroni, dar şi dezavantajul
unor preţuri ridicate şi a unei capacităţi de fragilizare prin hidrurare (în special Zircaloy-2).
Criteriul fundamental în alegerea acestor materiale îl reprezintă caracteristicile mecanice
bune, care răspund favorabil solicitărilor termice şi mecanice tipice ale funcţionării
elementului de combustibil (gradienţi termici înalţi, generaţi în teacă de fluxurile termice
înalte).
Fabricarea elementelor combustibile.
Fabricarea combustibilului şi elementelor de combustibil nuclear constă dintr-o
succesiune de operaţii tehnologice astfel concepute încât să asigure folosirea în reactor a
combustibilului propriu-zis în condiţii de securitate deplină.
Alegerea unui anumit procedeu de fabricaţie pentru un element combustibil dat
este rezultatul unor multiple analize, ce au la bază consideraţiuni de ordin tehnic şi economic.
Elementele combustibile propriu-zise sunt constituite dintr-un număr de pastile
combustibile (UO2 ) introduse într-o teacă. După umplerea acesteia se trece la etanşarea lor,
prin sudare, cu două dopuri de capăt. Apoi se aranjează într-o anumită configuraţie
geometrică, constituind fasciculul de combustibil propriu-zis. Fig.4.1.
55
Figura4.1.Fasciculul şi canalul combustibil
Procedeul de fabricare a elementelor combustibile depinde de tipul de reactor în
care vor fi utilizate.
Oricare ar fi însa destinaţia acestora, fabricarea lor presupune următoarea
succesiune de operaţii:
- controlul calitativ la recepţia materialelor de structură;
- pregătirea tecilor (tăierea la lungimile specificate, degresare etc.);
- fabricarea unor componente (dopuri ,distanţiere) pentru elementele combustibile
destinate reactorilor CANDU, gop axial pentru asigurarea unui volum de expansiune pentru
gazele de fisiune;
- brazarea distanţierelor pe suprafaţa tecilor, în cazul elementelor combustibile
destinate reactorilor CANDU;
- formarea „coloanelor” (seturilor) de pastile şi introducerea lor în teci;
- sudarea dopurilor de etanşare;
- tratamente superficiale ale suprafeţei elementului de combustibil finit (a barei de
combustibil) etc.
Pentru confecţionarea distanţierelor (patine şi distanţieri) se utilizează tabla de
Zircaloy de diferite grosimi. Semifabricatul este supus înaintea prelucrării unor controale
atente, legate de dimensiune, defecte superficiale, planeitate etc. Apoi se prelucrează de
regulă prin ştanţare.
Pe suprafaţa distanţierelor se depune prin evaporare beriliu, material ce va asigura
sudura prin difuzie a acestora pe tecile de combustibil, prin procedeul de brazare.
56
Dopurile ― confecţionate din Zircaloy – 4 se prelucrează la dimensiunile
specificate, materialul fiind în prealabil supus unor controale riguroase la recepţie (prin
defectoscopie cu ultrasunete), verificându-se în acelaşi timp şi proprietăţile mecanice.
57
5. ÎNCERCĂRI EXPERIMENTALE
5.1. Consideraţii generale privind necesitatea încercărilor mecanice de
rezistenţă
Teoria elasticităţii şi rezistenţa materialelor studiază starea de tensiune şi de
deformaţie a corpurilor sub acţiunea unor sarcini exterioare.
Ipoteza proporţionalităţii dintre tensiuni şi deformaţii specifice se poate verifica
direct,în cazul altor ipoteze se efectuează verificarea experimentală a relaţiilor teoretice care
au fost deduse pe baza ipotezelor respective.
Pe de altă parte se ştie că rezistenţa reală la rupere a unui material nu se poate
determina prin calcul. Rezistenţa teoretică la rupere, calculată pe baza forţei de atracţie dintre
atomi are o valoare mult mai mare decât rezistenţa reală la rupere. Înseamnă deci, că numai
prin încercări experimentale se obţin date care să permită stabilirea limitelor de solicitare în
diferite situaţii practice.
Prin încercări mecanice ale metalelor se înţeleg toate determinările privind
comportarea metalelor,în anumite condiţii de solicitare mecanică, stabilite convenţional.
Încercarea mecanică de rezistenţă se execută pe o piesă cu formă şi dimensiuni
determinate, numită epruvetă, prelucrată dintr-o probă, adică dintr-o bucată de metal extrasă
din produsul examinat.
58
5.2. Încercarea la tracţiune
Încercarea la tracţiune constă în aplicarea până la rupere pe direcţia axei
longitudinale a epruvetei a unei sarcini uniaxiale în vederea determinării unor caracteristici
mecanice.
Sarcina se măsoară cu ajutorul celulei de sarcină iar deplasarea prin intermediul
extensometrului. Prin intermediul programului de achiziţie şi prelucrare automată a datelor
dependenta mărimilor primare forţă – deplasare este convertită în curba de tracţiune tensiune
– deformare, concomitent cu determinarea mărimilor mecanice de interes.
Eşantionarea, prelevarea probelor la dimensiunile standardizate şi controlul
dimensional al acestora se efectuează de beneficiar. Epruvetele identificate şi însoţite de fişele
de măsurări dimensionale vor fi furnizate de domeniul de încercări mecanice.
Încercarea la tracţiune se execută aplicând unei epruvete o forţă axială crescătoare
şi măsurând (înregistrând) variaţiile corespunzătoare ale lungimii epruvetei. De obicei,
încercarea se face până la ruperea epruvetei. Deformarea epruvetei în funcţie de forţa de
tracţiune se poate evalua în două moduri:
-prin măsurarea distanţei dintre două puncte A şi B ale sistemului de prindere;
maşina de încercat trasează o curbă care arată creşterea forţei aplicate epruvetei în funcţie de
creşterea distanţei dintre cele două puncte;variaţia distanţei include atât deformaţia totală a
epruvetei,cât şi deformaţiile unor piese ale maşinii;
-prin folosirea unui aparat numit extensometru, fixat pe epruvetă între două
secţiuni aflate la distanţă Lo, care măsoară variaţia distanţei dintre aceste secţiuni. Citirea
indicaţiilor extensometrului se face continuu, pe măsura creşterii forţei de tracţiune,astfel
încât curba de legătură între forţă şi variaţia ΔL a lungimii Lo se poate obţine în timpul testării.
În ultimul timp au fost realizate sisteme de masură şi achiziţie date computerizate
care se ataşează maşinilor de încercat şi care au posibilitatea să traseze continuu curba de
încercare prin sistemul de măsurare a forţei, propriu maşinii, şi la un extensometru, care
măsoară deplasarea epruvetei.
Pentru a defini comportarea materialului ar trebui trasată curba caracteristică a
materialului, care să exprime legatura între tensiunea σ şi deformaţia specifică ε. Într-o
secţiune transversală a epruvetei tensiunea este constantă şi se calculează cu relaţia
=
FmS 0
59
unde: –S0 reprezintă aria secţiunii transversale, variabilă în timpul încercării.
-Fm reprezintă forţa de tracţiune
În general, curba caracteristică prezintă o porţiune liniară, în care deplasarea
epruvetei este proporţională cu forţa aplicată.În această zonă este valabilă legea lui Hooke.
Modulul de elasticitate se exprimă în mai multe feluri: modulul de elasticitate
tangent (curent E sau initial E0), modulul de elasticitate secant Es, modulul de elasticitate de
coardă, modulul de elasticitate convenţional.
Conform modulului de elasticitate convenţional se definesc :
― Limita de proporţionalitate convenţională σt ,măsurată în N ∕mm2, reprezentând
tensiunea la care modulul de elasticitate curent Eσ atinge o abatere prescrisă faţă de modulul
de elasticitate iniţial E0. Abaterea se calculează cu relaţia (E0-Eσ)∙100/E0[%] şi se înscrie ca
indice.
― Limita de elasticitate convenţională (pentru o deplasare convenţională
prescrisă) σp, măsurată în N/mm2, reprezentând tensiunea la care abaterea de la variaţia
proporţională dintre tensiune şi deplasare atinge o valoare prescrisă.
― Limita de elasticitate tehnică (pentru o deplasare remanentă prescrisă) σr,
măsurată în N/mm2, fiind tensiunea la care deplasare specifică remanentă atinge o valoare
prescrisă (înscrisă ca indice).
― Limita de curgere convenţională (pentru o deformare neproporţională
prescrisă), fiind raportul dintre sarcina corespunzătoare unei deformări neproporţionale
prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei; se notează Rp,cu un indice numeric
reprezentând deformare neproporţională prescrisă;
― Limita de curgere remanentă (pentru o deformare remanentă prescrisă), notat
Rr, reprezentând raportul între sarcina corespunzătoare unei deformări remanente (la
descărcarea epruvetei) prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei. Deformare
remanentă prescrisă se menţionează ca indice la Rr.
Raportul dintre forţa maximă şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei se
numeşte rezistenţă la rupere, notată Rm şi măsurată în N/mm2:
Rm =
Fmax
S0
În cazul materialelor cu fragilitate pronunţată, rezistenţa la rupere este practic,
aceeaşi cu limita de curgere.
60
S-a arătat mai înainte că întreruperea încercării la tracţiune atunci când nu s-a
depăşit limita de elasticitate şi înlăturarea forţei determină revenirea epruvetei la dimensiunile
iniţiale.
După ce se depăşeşte limita de elasticitate, deformaţiile mari pe care le capătă
epruveta încep să producă o micşorare importantă a secţiunii transversale. Din această cauză,
tensiunea reală din epruvetă, egală cu raportul dintre forţa de tracţiune înregistrată de maşina
şi aria secţiunii momentane reale este mai mare decât valoarea convenţională obţinută prin
împărţirea forţei la aria secţiunii iniţiale.
61
5.3. Epruvete pentru încercarea la tracţiune
Forma şi dimensiunile epruvetei trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:
- dimensiunile epruvetei să fie suficient de mari, astfel încât, pe de o parte ,
rezultatele să nu fie influenţate de particularităţile de comportare ale unor formaţiuni cristaline
ale metalului şi, pe de altă parte, deplasarea să se poată măsura cu suficientă precizie;
- să existe într-o anumită zonă a epruvetei, o stare de tensiune omogenă; tensiunile
locale care apar în porţiunile de prindere ale epruvetei să fie minime şi să nu influenţeze
starea de tensiune din zona principală a epruvetei;faptul că există o stare de tensiune omogenă
prezintă două avantaje importante:acela că pe curba caracteristică se poate observa uşor
momentul apariţiei deformaţiilor plastice şi acela că relaţiile de calcul pentru obţinerea
tensiunilor şi deformaţiilor specifice sunt foarte simple.
Forme constructive, dimensiuni. Pentru ca rezultatele încercărilor la tracţiune să
fie comparabile este nevoie ca epruvetele să respecte anumite condiţii de formă, dimensiune şi
prelucrare.
În mod obişnuit, epruvetele au secţiunea circulară (epruvete rotunde) sau
dreptunghiulară (epruvete plate), cu raportul laturilor secţiunii mai mic decât 4:2. Dacă o
epruvetă are secţiunea S0, atunci se poate considera că are diametrul echivalent
d0 = √ 4 S0
π 1,13√S0
unde: -S0 secţiunea epruvetei
Lungimea iniţială L0 şi diametrul iniţial d0 se aleg în aşa fel încât raportul n
= L0/d0 numit factor dimensional să aibă valoarea n = 5 sau n = 10; corespunzător acestor
valori, epruveta se numeşte proporţională normală sau proporţională lungă. Este necesară
impunerea valorii factorului dimensional pentru a se obţine alungiri la rupere comparabile, la
epruvete cu diferite secţiuni. În cazuri speciale se pot utiliza epruvete neproporţionale.
Lungimea calibrată se alege în aşa fel încât de la marginile acesteia până la
reperele care delimitează lungimea iniţială să fie o distanţă de cel puţin 0,565√S0 adică 1/2 din
d0, ceea ce înseamnă că valoarea minimă a acesteia este Lc = L0 + d0; în mod normal
Lc = L0 + 2d0
Lt - lungimea totală a epruvetei;
62
Lc - lungimea calibrată a epruvetei (lungimea porţiunii de secţiune constantă în
limitele toleranţelor prescrise).
Capetele de prindere ale epruvetei trebuie să fie coaxiale cu porţiunea calibrată,
pentru a se asigura solicitarea la tracţiune simplă. Forma şi dimensiunile lor se aleg în funcţie
de dispozitivele de prindere ale maşinii de încercat. Epruvetele rotunde pot avea capete
cilindrice netede, cilindrice filetate sau conice. Epruvetele plate pot avea capete de prindere
fără gaură pentru bolţ sau cu gaură. Dimensiunile epruvetelor uzuale, rotunde şi plate sunt
date în ASTM. E 8 M.
Epruveta pentru încercarea la tracţiune trebuie să aibă secţiune circulară,în cazul
produselor în formă de bare şi secţiune dreptunghiulară, pentru celelalte produse (table,
benzi); epruvetele cu secţiune dreptunghiulară pot fi înlocuite cu epruvete rotunde în situaţia
în care aparatura nu permite încercarea pe epruvete plate sau dacă grosimea tablei din care se
ia probă este mai mare de 25 mm.
Epruveta se execută, din materialul studiat, prin aşchiere cu adâncimi de aşchiere
mici; dacă materialul este casant,suprafaţa epruvetei trebuie şlefuită cu pânză abrazivă (având
grijă de a nu crea rizuri circulare). Rizurile care marchează lungimea calibrată a epruvetei sau
care subdivid această zonă se trasează cu dispozitive speciale.
Dacă bara are grosimea ¿ 40 mm sau banda are laţimea ¿ 30mm,proba extrasă
pote fi supusă direct încercării la tracţiune, fără a executa o epruvetă.
În cazul produselor din metale şi aliaje neferoase locul şi poziţia de luare a probei
sunt prevăzute în STAS 8394 – 69, în funcţie de tipul produsului, direcţia de deformare,
grosime (pentru table, benzi şi plăci), mărimea secţiunii (pentru bare, ţevi, sârme, profile).
În toate situaţiile în care se recomandă folosirea epruvetelor plate, o suprafaţă a
epruvetei trebuie să coincidă cu suprafaţa produsului (să păstreze stratul superficial
neprelucrat).
63
5.4. Maşina de încercat universală
Maşina de încercări mecanice, tip INSTRON model TT-BM 1113 modernizată
prin echiparea cu controller extrem digital EDC-100. Servomotor şi Encoder Digital, care
permit monitorizarea automată a parametrilor de testare şi prelucrare automată a
datelor(Fig.5.1.).
Celula de sarcină de 2500 kg, eroarea de măsură de ± 0,5%.
Figura.5.1.Maşina de încercat model INSTRON
Extensometre cu lungimea activă de 10, 25 respectiv 50 mm, clasa de precizie
B2,eroarea de măsură a deformării de ±2x10-4.
Părţile componente principale ale maşinii pentru încercări statice la tracţiune sunt
următoarele: batiul, dispozitivul de fixare a epruvetei, dispozitivul de aplicare a sarcinii,
dispozitivul de măsurare a deformări extensiometru şi dispozitivul digital de înregistrare a
curbei caracteristice. Asupra epruvetei se aplică o sarcină progresivă, lentă, fără şocuri, în
general până la rupere. Datele obţinute în timpul testării de către maşina de tracţiune sunt
procesate de către calculator folosind un program specific tipului de epruvetă şi de testare care
a fost efectuat.
64
Rezultatele selectate de utilizator sunt calculate din aceste date şi pot fi prezentate
sub forma unui certificat de testare care poate fi tipărit împreună cu graficele corespunzătoare.
Dispozitivele de prindere a epruvetei.
Pentru epruvetele rotunde, STAS 200-75 se recomandă capete de prindere
cilindrice, conice sau filetate; corespunzător acestor forme, prinderea în dispozitivul de fixare
al maşinii se poate face cu pene care au suprafaţa striată (plată sau cu canal în direcţia axială a
epruvetei) şi care se strâng automat sau prin intermediul unui inel cu suprafaţa de sprijin
sferică.
În cazul epruvetelor plate,capetele de prindere pot fi cu sau fară bolţ; dacă nu au
gaură pentru bolţ, prinderea se face în dispozitiv cu pene cu suprafaţa plată, striată.
Viteza de executare a încercării.
Încercarea la tracţiune se execută prin aplicarea continuă a sarcinii, fără şocuri.
Viteza cu care se desfăşoară încercarea poate fi exprimată în mai multe feluri:
-viteza de încărcare, (aplicare) vF, reprezentând creşterea în unitatea de timp a
forţei aplicate epruvetei; se măsoară în N/s;
-viteza de solicitare, exprimând creşterea în unitatea de timp a tensiunii din
epruvetă; se notează cu vRe viteza de solicitare elastică (în domeniul deformaţiilor
preponderent elastice) şi cu vRp viteza de solicitare plastică; aceste viteze se măsoară în
N/mm2.s;
-viteza de îndepărtare a fălcilor vD, măsurată în mm/s, egală cu creşterea în
unitatea de timp a distanţei dintre fălcile (dispozitivele) de prindere ale maşinii de încercat;
-viteza de deformare a epruvetei vΔL ,reprezentând creşterea în unitatea de timp a
deplasări ΔL (ΔL fiind diferenţa dintre lungimea epruvetei deformate şi lungimea iniţială); se
măsoară în mm/s;
-viteza de deformare specifică vA, egală cu creşterea în unitatea de timp a alungirii
A (adică a deformări specifice ΔL/L0) se măsoară în %/s.
În general se fac recomandări în legătură cu viteza de solicitare sau cu viteza de
îndepărtare a fălcilor.
Măsurarea deformări.
65
Pentru măsurarea deplasări se folosesc frecvent extensometre mecanice optice şi
video; baza de măsurare a acestora poate fi destul de mare (10-50 mm), deoarece lungimea
calibrată a epruvetelor uzuale este de acest ordin de mărime.
Caracteristicile mecanice uzuale determinate prin încercarea la tracţiune sunt
următoarele: limita de curgere (aparentă, superioară, inferioară), limita de curgere
convenţională, limita de curgere remanentă, limita de întindere, rezistenţa la rupere,
deformarea la rupere, gâtuirea la rupere.
Stabilirea limitelor de curgere şi a limitei de întindere.
Limita de curgere aparentă se determină vizual: se urmăreşte continuu deplasarea
acului indicator de pe cadranul de măsurare a forţei, împreună cu acul remorcă; la un moment
dat, deşi deplasarea epruvetei se produce în continuare, acul indicator se opreşte sau se
întoarce la forţe mai mici; în această situaţie, acul remorcă indică valoarea forţei maxime care
va fi considerată în calculul limitei de curgere aparente.
Limita de curgere superioară şi limita de curgere inferioară. În cazul materialelor
care nu au limită de curgere aparentă se determină limita de curgere convenţională şi limita de
curgere remanentă.
Pentru a determina limita de curgere convenţionala Rp se poate utiliza diagrama
încercării înregistrată pe maşina de încercat.
Diagrama la care se înregistrează variaţia forţei de tracţiune în funcţie de
îndepărtarea fălcilor maşinii este admisă pentru determinarea limitei de curgere convenţionale
numai dacă deplasarea fălcilor este mai mare cu cel mult 10% decât deplasarea porţiunii
calibrate.
Dacă maşina de încercat este dotată cu un înregistrator care se cuplează la
sistemul de forţa al maşinii şi care primeşte un semnal electric de la un extensometru
(inductiv) montat pe epruvetă, atunci se poate trasa diagrama încercării (în coordonate F, Δl).
Deformarea ΔL indicată de extensometru se poate amplifica (de exemplu de 200, 1000 sau
2000 ori) astfel încât diagrama înregistrată să permită fixarea cu precizie a punctului
corespunzător alungirii neproporţionale prescrise.
Dacă diagrama încercării se reprezintă prin puncte,atunci extensometrul se
montează pe epruvetă dupa aplicarea unei sarcini iniţiale care să producă o solicitare de 30
N/mm2. Diagrama trebuie să aibă cel puţin 6 puncte, pentru sarcini egale cu 5,10,25,50,75 şi
100% din sarcina corespunzătoare limitei de curgere convenţionale aproximate. La trasarea
66
dreptei paralele cu porţiunea cvasiliniară a diagramei se ţine seama şi de deformarea aferentă
sarcinii iniţiale.
La încercările de litigiu este necesară determinarea exactă a pantei dreptei
paralele. În acest scop, după depăşirea cu 2 – 5% a sarcinii corespunzătoare limitei de curgere
prescrise aproximativ se execută un ciclu de descărcare – încărcare. Panta dreptei se obţine
unind punctul de intersecţie a curbelor de descărcare şi încărcare cu punctul de pe axa At.
Limita de curgere remanentă (pentru o deformare remanentă prescrisă) se obţine
prin încărcarea epruvetei în cicluri cu amplitudine crescătoare şi prin prelucrarea diagramei
trasate pe baza măsurărilor.
Epruvetei i se aplică o sarcină iniţială care să producă o solicitare de 30N/mm 2 şi
se montează extensometrul. Apoi epruveta se încarcă în cicluri cu amplitudini din ce în ce mai
mari care să mărească de fiecare dată solicitarea cu 25 – 30 N/mm2 .După fiecare încărcare,
epruveta se descarcă până la o sarcină inferioară celei iniţiale şi se stabileşte deformarea
remanentă în %. Când apare o deplasare remanentă de 0,1% se mai execută cel mult trei
cicluri de încărcare –descărcare cu amplitudini majorate cu 10 N/mm2 . De fiecare dată se
măsoară deplasarea totală sub sarcina maximă a ciclului (la sfârşitul încărcării) şi deplasarea
remanentă la sarcina iniţială. Cu rezultatele măsurărilor se trasează diagrama încercării la
tracţiune reprezentând curba alungirilor totale şi curba alungirilor remanente. De pe aceasta
din urmă, corespunzător alungirii remanente prescrise rezultă sarcina care se foloseşte în
calculul limitei de curgere remanente.
Limita de întindere convenţională se exprimă pentru o anumită deformare totală
prescrisă şi reprezintă raportul dintre sarcina corespunzătoare acelei alungiri totale prescrise şi
aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei; deformare totală prescrisă se înscrie ca indice la
notaţia Rt.
Determinarea rezistenţei la rupere, a alungirii la rupere şi a gâtuirii la rupere.
Rezistenţa la rupere Rm se obţine ca raport între sarcina maximă înregistrată în timpul
încercării şi aria iniţială a secţiunii transversale a epruvetei.
Deformarea la rupere se determină în general pe epruvete care au factorul
dimensional n = 5.Dacă deformarea la rupere se obţine pe o epruvetă care are alt factor
dimensional,atunci aceasta poate fi echivalată informativ cu deformarea la rupere care s-ar fi
obţinut pe epruveta cu n = 5. Deformarea la rupere se calculează ca raport între lungimea
epruvetei după rupere şi lungimea iniţială şi se exprimă în procente.
În cazul încercărilor curente,lungimea iniţială L0 a epruvetei se împarte în trei părţi
egale; deformarea la rupere se poate determina numai dacă epruveta se rupe în treimea
67
mijlocie; lungimea după rupere se obţine aşezând porţiunile rupte cu axele în prelungire, fără
distanţă între feţele rupturii şi măsurând distanţa între reperele extreme.
În cazul în care lungimea iniţială a epruvetei se divizează în zece părţi egale,
deformarea la rupere se poate determina independent de poziţia secţiunii de rupere în cadrul
lungimii iniţiale.
Gâtuirea la rupere Z se defineşte ca diferenţa dintre aria secţiunii iniţiale şi aria
secţiunii ultime a epruvetei,raportată la aria secţiunii iniţiale şi exprimată în procente:
Z = (S0 – Su)∙100/S0 [%]
unde: S0- aria secţiunii iniţiale
Su- aria secţiunii ultime
Aria secţiunii ultime este aria secţiunii transversale a epruvetei în
ruptură;evaluarea acesteia se face în următoarele condiţii convenţionale de măsurare a
dimensiunilor:dacă epruveta este rotundă, diametrul secţiunii de rupere se consideră ca fiind
media aritmetică a dimensiunii transversale maxime şi a celei minime;dacă epruveta este
plată, drept secţiune ultimă se consideră un dreptunghi ale cărui laturi sunt egale cu
dimensiunile minime măsurate în secţiunea rupturii.
Deformarea la rupere şi gâtuirea la rupere sunt două mărimi ce caracterizează
materialul din punct de vedere tehnologic şi nu sunt utile pentru calcule de rezistenţă; acestea
se referă la comportarea epruvetei într-o zonă limitată, în care, după atingerea sarcinii maxime
se produc deformaţii locale mult mai mari decât în rest
Analiza formei şi aspectului epruvetei după rupere.
Ruperea unui material poate fi ductilă, fragilă sau mixtă. În cazul ruperii ductile,
materialul se deformează plastic într-o măsură importantă; în cazul ruperii fragile, fisura se
propagă brusc nu se produce o deformaţie globală a unei zone a materialului, ci doar o
microdeformaţie locală pe suprafaţa de rupere (microdeformaţie care, de obicei, nu se
observă decât la analiza prin difracţia razelor X).
În cazul epruvetelor supuse la tracţiune,ruperea fragilă produce o secţiune de
separaţie normală pe axă; ruperea fragilă apare brusc,fără nici o manifestare prealabilă;
secţiunea de rupere are o structură cristalină.
Epruvetele executate din materiale foarte ductile (aur, plumb) capătă o gâtuire
mare,iar în momentul ruperii secţiunea poate ajunge chiar la un punct. Materialele cu
ductilitate medie capătă înainte de rupere o gâtuire destul de pronunţată, ruperea începe din
centrul secţiunii epruvetei şi apoi se propagă pe direcţiile tensiunilor tangenţiale maxime
68
(la 45˚), aspectul suprafeţei de rupere fiind denumit „con – cupă”.
Deformarea plastică a epruvetei se produce prin deplasările de lunecare în reţeaua
cristalină a metalului; acest fenomen este confirmat de faptul că pe suprafaţa unei epruvete
bine şlefuite supuse la tracţiune, în faza deformării plastice apare un sistem de linii (striuri) de
lunecare înclinate la aproximativ 45˚ şi corespunzând, practic, planelor cu tensiuni tangenţiale
maxime (fenomenul de deformare este mai complex, adică având un caracter spaţial şi axial
simetric).
Factori care influenţează rezultatele încercării.
Pentru un anumit material, caracteristicile mecanice de rezistenţă pot rezulta cu
valori diferite, în funcţie de condiţiile în care s-a efectuat determinarea lor experimentală.
Factorii care determină obţinerea de rezultate diferite prin încercarea mecanică şi care produc
o modificare aparentă a valorilor caracteristicilor mecanice de rezistenţă sunt: dimensiunile
epruvetei, viteza de solicitare şi caracteristicile maşinii de încercat.
Diametrul epruvetei nu influenţează rezultatele încercării decât dacă scade sub 4 –
5 mm. În cazul când este foarte mic (zecimi de milimetru) se obţine o valoare a rezistenţei la
rupere sensibil mai mare decât aceea determinată cu epruvete uzuale.
Lungimea porţiunii calibrate a epruvetei influenţează valoarea alungirii la rupere.
În cazul când se folosesc epruvete lungi, deformarea la rupere A10 rezultă mai mică decât
deformarea la rupere A5, determinată pe epruvete scurte.
Viteza de solicitare influenţează rezistenţa la rupere şi deformarea la rupere, şi
anume: cu cât încărcarea se face mai lent, cu atât rezistenţa la rupere este mai mică, iar
deformarea la rupere este mai mare.
Caracteristicile maşinii de încercat influenţează aspectul curbei caracteristice în
zona de curgere. Dacă sistemul de măsurare al maşini are inerţie mare ‚ atunci nu sunt
obţinute limitele de curgere . Acelaşi lucru se întâmplă şi la sisteme cu inerţie mică , dacă
viteza de încărcare este mare .
Încercarea la tracţiune a tablelor şi benzilor subţiri.
În cazul încercărilor tablelor subţiri şi a benzilor metalice apar probleme de
prindere. Pentru a realiza o epruvetă cu capete proeminente se poate proceda în felul
următor:banda metalică se aşează între două şabloane din oţel şi se polizează pe contur
(şabloanele absorb căldura degajată); după aceea, pe capete se sudează prin puncte nişte
69
plăcuţe executate din aceeaşi bandă. Pe o astfel de epruvetă ruperea se produce în zona
centrală şi se obţine valoarea corectă a rezistenţei la rupere. Pentru determinarea limitei de
proporţionalitate, a limitei de curgere şi a modului de elasticitate nu sunt necesare epruvete cu
capete proeminente, ci se foloseşte direct banda metalică. Benzile înguste (sub 20 mm) se pot
încerca direct, fără a executa o porţiune calibrată de lăţime mai mică.
Toate definiţiile şi simbolurile,precum şi modul de determinare a caracteristicilor
mecanice sunt aceleaşi ca în cazul încercării obişnuite la tracţiune,cu o singură condiţie: nu se
determină gâtuirea la rupere.
70
6. REZULTATE. DISCUŢII. ANALIZE.
6.1. Testul de tracţiune
Solicitarea uniaxială a tuburilor s-a realizat la maşina de încercări INSTRON
model 1113, comandată automat de programul de monitorizare parametri, achiziţie şi
prelucrare date MTT, furnizat de firma MESSPHYSIK, Austria.
Condiţiile de testare au fost :
viteza de deformare de 510-3 min-1 până la atingerea limitei de curgere şi
510-2 min-1 până la rupere; pentru a proteja extensometru şi pentru faptul că porţiunea de
deformare plastică nu mai prezintă interes
valoarea temperaturii - a mediului ambiant.
iar metoda de testare a respectat cerinţele incluse în ASTM E 8 M
S-a supus testului de tracţiune axială menţinut mai sus un număr de 10 probe
de tub Zircaloy-4. din acelaşi lot. Probele şi dispozitivele de prindere probă au avut
următoarea configuraţie conform ASTM E 8 M cu dimensiunile din figura 6.1..
Figura 6.1. Dispozitiv de prindere a probei
Lungimea probelor de testat a fost de 275mm, iar lungimea calibrată a fost de
165mm. Pentru ca ruperea să se producă în zona în care deformarea a fost măsurată cu
extensometru (L0=50mm), probele au fost şlefuite cu hârtie abrazivă de granulaţie 400 m
reducându-se grosimea de perete a tecilor de Zircaloy -4 cu maxim 0,02mm. Valorile
măsurate sunt prezentate în tabelul 6.1.
71
Tabelul 6.1. Valorile măsurate ale tubului de zircaloy-4
Număr probă D ext D int g1 13,48 12,72 0,3802 13,49 12,73 0,3803 13,48 12,72 0,3804 13,48 12,72 0,3795 13,49 12,72 0,3836 13,49 12,73 0,3827 13,49 12,73 0,3808 13,48 12,73 0,385
9 13,49 12,72 038610 13,49 12,72 0,385
În figurile 6.2 şi 6.6. sunt reprezentate una din diagramele obţinute pentru fiecare
lot testat, în scopul determinării limitei de curgere şi a rezistentei la rupere, deformarea fiind
determinată direct pe fiecare probă testată după rupere. Valorile rezistenţelor mecanice,
obţinute prin solicitare la tracţiune pentru toate probele dintr-un lot , sunt cuprinse în
Certificatele de testare furnizat de programul MTT (vezi Anexa A).
Definiţii:
Limita de curgere (σ0,2% =R0,2%) reprezintă efortul unitar corespunzând unei
alungiri remanente de 0,2%.
Rezistenţa la rupere (σm =Rm = UTS) reprezintă raportul dintre sarcina maximă
suportată de probă (Fm) şi aria secţiunii iniţiale (S0).
σm =
FmSo
Lungimea activă sau lungimea iniţială (l0) reprezintă lungimea dintre reperele
externe, pe care se fixează extensometrul.
Lungimea la rupere (lf – l0) reprezintă diferenţa dintre lungimea activă a epruvetei
după deformare (lf ) şi lungimea iniţială (l0).
Deformarea la rupere (δ) reprezintă raportul dintre deplasarea la rupere şi
lungimea iniţială, exprimată în procente.
δ =
lf⋅10
l0 100 [%]
unde: lf =lungimea dintre repere, măsurată după rupere;
72
l0 =lungimea iniţială dintre repere.
Certificatele de testare cuprind şi calculul statistic al parametrilor mecanici,
(abaterea standard, interval de confidenţa) considerând o distribuţie normală a acestora.
În figura 6.7. beneficiind de facilităţile programului MTT, sunt reprezentate pe
acelaşi grafic toate cele 10 probe testate, la fiecare lot.
Figura 6.2.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 1
Figura 6.2.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 2
73
Figura 6.3.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 3
Figura 6.3.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 4
74
Figura 6.4.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 5
Figura 6.4.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 6
75
Figura 6.5.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 7
Figura 6.5.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 8
76
Figura 6.6.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 9
Figura 6.6.Diagrama tensiune-deformare pentru probele 10
77
Figura 6.7. Diagrama tensiune- deformare pentru probele 1-10.
78
6.2. Prelucrarea rezultatelor experimentale
În urma testări celor 10 probe, rezultatele obţinute au fost prelucrate pentru
determinarea valorilor medii privind rezistenţa la curgere, rezistenţa la rupere şi alungirea la
rupere. În figura 6.8. este reprezentată dispunerea rezultatelor experimentale privind limita de
curgere.
Figura 6.8. Dispunerea rezultatelor
experimentale privind limita de curgere
Pentru aceasta s-au calculat :
x i - valoarea măsurată (regăsită în tabelul 6.1.)
x - media valorii măsurate
n- număr probe
s- abatere standard
s=√∑ (xi−x)2
n−1
79
nLimita de
curgere (MPa)
1 469.1
2 439.6
3 445.3
4 447.5
5 443.5
6 480.8
7 466
8 442
9 484.8
10 440.4
s=√171 .6+268 . 9+114.4+72 .2+156 .2+615+100+196+829 .4+243 .39
s=√27679
=√307 .4=17 .53
Tuburile de zircaloy-4 se acceptă dacă valoarea x -3s este mai mare de 385
x -3s= 456 – (3*17.53)=456-52.59 = 403.41
Valoarea obţinută se încadrează în parametri ceruţi.
Tabelul 6.2. Valorile limitei de curgere pentru lot I
Material
Zr-4
Limita de curgere (Mpa)
Media
x̄
Abaterea standard
s
x̄−3 s
LOT I
469.1
439.6
445.3
447.5
443.5
480.8
466
442
484.8
440.4
456 17.53504 403.41
80
În figura 6.9. este reprezentată dispunerea rezultatelor experimentale privind rezistenţa
la rupere.
Figura 6.9. Dispunerea rezultatelor
experimentale privind rezistenţa la rupere
x i - valoarea măsurată (regăsită în tabel)
x - media valorii măsurate
n- număr probe
s- abatere standard
s=√∑ (xi−x)2
n−1
Tuburile de zircaloy-4 se acceptă dacă valoarea x -3s este mai mare de 480
x -3s= 574 – (3*22.27)=574-66.81 = 507.19
81
nRezistenta la
rupere (MPa)
1 592.5
2 552.8
3 561.9
4 562.3
5 555.4
6 606.2
7 588.3
8 558
9 608.6
1
0555.3
s=√342 .2+449 .4+146 . 4+136 . 8+345 .9+1036 .8+204 . 4+256+1197. 1+349 .69
s=√4464 . 69
=√496=22.27
Tabelul 6.3. Valorile limitei de curgere pentru lot I
Material
Zr-4Rezistenţă la rupere (Mpa)
Media
x̄
Abaterea standard
sx̄−3 s
LOT I
592.5
552.8
561.9
562.3
555.4
606.2
588.3
558
608.6
555.3
574 22.27 507.19
82
În figura 6.10 este reprezentată dispunerea rezultatelor experimentale privind
alungirea la rupere.
Figura 6.10. Dispunerea rezultatelor experimentale
privind alungirea la rupere
x i - valoarea măsurată (regăsită în tabel)
x - media valorii măsurate
n- număr probe
s- abatere standard
s=√∑ (xi−x)2
n−1
Tuburile de zircaloy-4 se acceptă dacă valoarea x -3s este mai mare de 20% (valoare
minimă specificată)
x -3s= 27.6– (3*0.8)=27.6-2.4 = 25.2
83
nAlungirea
(%)
Alungirea
Medie (%)
1 28.4 27.6
2 27.4 27.6
3 26.6 27.6
4 26.2 27.6
5 29 27.6
6 27.4 27.6
7 27.6 27.6
8 27.8 27.6
9 28.2 27.6
10 27.6 27.6
s=√ 0 .64+0 . 04+1+1 .96+1 . 96+0 .04+0+0 .04+0 . 36+09
=√ 6 .049
=√0 .67=0 .8
Tabelul 6.4. Valorile alungirilor la rupere, lot I
MaterialZr-4
Deformare (%)Media
x̄
Abaterea standard
s x̄−3 s
LOT I
28.4
27.4
26.6
26.2
29
27.4
27.6
27.8
28.2
27.6
27.6 0.8 25.2
84
Certificart de testare , lot 1
ANEXA –A–
85
7. CONCLUZII
1 Scopul acestei lucrări a fost caracterizarea tecii elementului combustibil
CANDU din punct de vedere mecanic şi microstructural.
2 S-au analizat din punct de vedere teoretic determinarea parametrilor mecanici şi
microstructurali pentru diferite aliaje şi în mod special pentru aliajul de Zircaloy 4.
3 Determinările parametrilor mecanici şi microstructurali sau executat pe probe
din aliaj de Zircaloy 4 folosit la fabricarea elementelor combustibile tip CANDU 600.
4 După testarea a 10 probe din acelaşi lot de tuburi Zircaloy 4 sau determinat
valorile medii pentru următorii parametrii:
- limita de curgere (0,2 %)
- limita de rupere (r )
- deformarea ()
- dimensiunea medie de grăunte (d)
5 Valorile obţinute în urma testării sunt mai mari decât valorile minime
specificate pentru tuburile de Zircaloy 4 folosite în fabricaţie.
6o Rezultatele obţinute sunt în concordanţă cu testele de încercare realizate pentru
recepţia tuburilor de Zircaloy 4 utilizate în fabricaţia fsciculelor combustibile CANDU 600.
86
8. BIBLIOGRAFIE
1. Dr. Mocanu – “ Încercarea materialelor”,Editura Tehnică 1982 Bucureşti
2. Ioan Ursu – “Fizica şi Tehnologia materialelor nucleare”,Editura Academiei
1982
3. Nicolae Geru – “Metalurgie fizică”,Editura Didactică şi Pedagogică 1981
4. ASTM E8M – “Standard Test Methods for Tension Testing of Metalic
Materials”
5. Gh.Văsaru – “Zirconiul şi implicaţiile sale în energetica nucleară”,Editura
Tehnică,Bucureşti,1989
6. *** – www. aecl.ca.
7. *** – “Maşina de Încercări Universale Tip INSTRON MODEL1113”- Carte
tehnică,Editura 1973
8. G.E. Dieter Jr. –“ Mechanical Metallurgy”, Mc. Graw Hill, New York,1961
9. *** – “Instrucţiune de contol test tracţiune ”,Editura SCN Piteşti
10. *** – “Instrucţiune mărime de grăunte”
11. ASTM E 112/1988 – “Determining Average Grain Size”,1988
87