ES2199764T3

ES2199764T3 - Acero inoxidable no magnetico para utilizacion a muy baja temperatura y resistente a neutrones y al uso.

Info

Publication number: ES2199764T3
Application number: ES00901705T
Authority: ES
Inventors: Jacques Fouel
Original assignee: Creusot Metal
Current assignee: Creusot Metal
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2004-03-01
Anticipated expiration: 2020-02-02
Also published as: CA2361702C; EP1155160A1; WO2000046417A1; FR2789090B1; FR2789090A1; CZ298919B6; EP1155160B1; AU2302000A; CA2361702A1; CZ20012809A3; ATE240421T1; DE60002677D1; DE60002677T2

Abstract

Acero inoxidable austenítico no magnético, para la utilización a muy baja teperatura, y resistente a los neutrones, cuya composición química comprende, en peso: 17% = Cr = 19% 12% = Ni = 15% 2, 5% = Mo = 4% 6% = Mn = 8% 0, 1% = N = 0, 3% C = 0, 03% Si = 1, 5% - eventualmente, boro con contenidos inferiores o iguales a 0, 005%, siendo el resto, hierro e impurezas resultantes de la elaboración, tales como Si, Al, S, P, y Nb.

Description

Acero inoxidable no magnético para utilización a muy baja temperatura y resistente a neutrones y al uso.

La presente invención se refiere a un acero inoxidable austenítico no magnético, para la utilización a baja temperatura y resistente a los neutrones, destinado especialmente a la fabricación de elementos de una cubierta de bobina superconductora destinada a crear un campo magnético de confinamiento de un plasma en una instalación de producción de energía termonuclear.

A fin de producir energía por fusión termonuclear, se pretende realizar recintos en los que se confinará, por un campo magnético muy elevado, un plasma caliente y denso de isótopos del hidrógeno. Por efecto de presión y temperatura, se producirá una reacción de fusión entre los núcleos de hidrógeno, lo que engendrará un flujo de neutrones y un desprendimiento de energía importantes. La energía desprendida se podrá utilizar para la producción de electricidad.

Las cubiertas de las bobinas superconductoras que está previsto realizar por ensamblaje mediante soldeo de elementos obtenidos por moldeo, por forja o por laminado, tendrá paredes cuyo espesor podrá alcanzar 300 mm. Esta cubierta deberá tener una permeabilidad magnética lo más próxima posible a 1, y preferentemente inferior a 1,01. Deberá tener, igualmente, propiedades mecánicas elevadas y una buena estabilidad física y mecánica en presencia de flujo de neutrones. Además, siendo muy elevados los campos magnéticos necesarios, está previsto realizarlos con ayuda de electroimanes superconductores que trabajan a muy baja temperatura, por ejemplo en la vecindad de 4 K. Por tanto, el recinto deberá conservar sus propiedades hasta temperaturas de este orden. En particular, el límite de elasticidad Re0,2 deberá ser superior a 800 MPa y el K1C superior a 130 MPa . m^{-1/2}.

Los aceros inoxidables austeníticos conocidos, con 18% de Cr, 10% a 12% de Ni y 0% a 2% de Mo, que se pueden utilizar en estado moldeado no responden al problema presentado. En efecto, por el hecho de las segregaciones que aparecen en las paredes moldeadas de gran espesor, se forma ferrita \delta que deteriora las características magnéticas. Además, estos aceros presentan una gran sensibilidad a la fisuración en caliente que les hace difíciles de soldar.

Se podría contemplar la utilización de aleaciones austeníticas con un contenido de níquel mayor que los aceros inoxidables con 25% de Ni y 20% de Cr o las aleaciones a base de níquel y permitiría obtener propiedades magnéticas y mecánicas satisfactorias. Pero estas aleaciones presentan el inconveniente de ser demasiado sensibles a neutrones. En efecto, para este tipo de aplicación, no es deseable que el contenido de níquel sea demasiado elevado para evitar que las piezas lleguen a ser demasiado radiactivas por efecto del flujo de neutrones.

Ejemplos de aleaciones austeníticas se describen en los documentos US-A-4.554.028, FR-A- 1.444.807, CH-A-454.582.

Por tanto, no existe aleación o acero que permite fabricar de manera satisfactoria una cubierta de bobina superconductora de confinamiento de plasma de una instalación de producción de energía termonuclear.

El objeto de la presente invención es remediar este inconveniente proponiendo un acero inoxidable adaptado a la fabricación de elementos de una cubierta de bobina superconductora de confinamiento de plasma de una instalación de producción de energía termonuclear. Especialmente, esta acero no debe ser magnético, es decir, tener una permeabilidad magnética inferior a 1,01, en particular cuando constituye una pared de gran espesor, tener características mecánicas elevadas y una buena ductilidad a muy baja temperatura (en particular a 4 K), ser soldable, ser fácil de moldear y no contener demasiado níquel.

A este efecto, la invención tiene por objeto un acero inoxidable austenítico no magnético para la utilización a baja temperatura y resistente a neutrones, cuya composición química comprende, en peso:

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 17%  \leq  Cr  \leq  19%\cr  12%  \leq  Ni  \leq  15%\cr  2,5%
 \leq  Mo  \leq  4%\cr  6%  \leq  Mn  \leq  8%\cr  0,1%  \leq  N
 \leq  0,3%\cr  C  \leq  0,03%\cr  Si  \leq 
1,5%\cr}

- eventualmente boro con contenidos inferiores o iguales a 0,005%, siendo el resto, hierro e impurezas resultantes de la elaboración.

Preferentemente, la composición química debe ser tal que:

[(Cr + 1,4 x Mo + 1,5 x Si - 4,99)/(Ni + 30 x C + 0,5 x Mn + 26 x (N - 0,02) + 2,77]^{3} x 12,56 - 7,22 < 0

Preferentemente, el contenido de silicio es superior a 0,2%, el contenido de carbono es superior a 0,015%, y los contenidos de impurezas son tales, que:

Co \leq 0,2%; P \leq 0,03%; S \leq 0,015%; Al \leq 0,06% y Nb \leq 0,01%.

Este acero tiene un límite de elasticidad Re0,2 superior a 800 MPa, un K1C superior a 130 MPa . m^{-1/2} y una permeabilidad magnética inferior a 1,01, a la temperatura de 4 K.

La invención se refiere, igualmente, a la utilización del acero de acuerdo con la invención para la fabricación de una pieza de un dispositivo de producción de energía termonuclear. La pieza se puede obtener por moldeo, por forja, o a partir de un producto laminado, y puede tener un espesor de pared superior a 100 mm. La pieza es, por ejemplo, un elemento de una cubierta de una bobina superconductora de confinamiento de un plasma destinado a trabajar a una temperatura inferior a 7 K y que debe resistir a los neutrones.

La invención se describirá, ahora, con más detalle y se ilustra por un ejemplo.

La composición química, en % en peso, del acero comprende:

-: de 17% a 19% de cromo para obtener la inoxidabilidad suficiente,

-: de 12% a 15% de níquel para una estructura austenítica no magnética que tiene una buena ductilidad a baja temperatura,

-: de 2,5% a 4% de molibdeno para mejorar la resistencia a la fisuración en caliente durante el soldeo,

-: de 6% a 8% de manganeso para mejorar la resistencia a la fisuración en caliente durante el soldeo y para obtener una solubilidad suficiente de nitrógeno,

-: de 0,1% a 0,3% de nitrógeno para obtener características de tracción elevadas y una buena estabilidad de la estructura austenítica a baja temperatura,

-: menos de 0,03% de carbono para obtener una tenacidad suficiente a baja temperatura y evitar las precipitaciones de carburos en las zonas afectadas por el calor de soldeo; el contenido de carbono puede ser tan pequeño como se quiera, siempre que se obtenga el límite de elasticidad; desde este punto de vista, es deseable, en general, que el contenido de carbono sea superior a 0,015%,

-: eventualmente, más de 0,2% de silicio para mejorar la aptitud de ser colado del acero líquido, pero menos de 1,5% para evitar deteriorar las propiedades magnéticas y la tenacidad,

-: eventualmente, boro para facilitar la deformación plástica en caliente durante la forja o laminación, pero menos de 0,005% para evitar deteriorar la soldabilidad,

-: siendo el resto, hierro e impurezas que resultan de la elaboración.

Las impurezas son, especialmente:

-: cobalto, cuyo contenido deber permanecer, preferentemente, inferior a 0,2% para limitar la formación de isótopos radiactivos por el efecto del flujo de electrones,

-: fósforo, cuyo contenido debe permanecer, preferentemente, inferior a 0,03% para obtener una tenacidad suficiente para evitar la aparición de segregaciones en gran espesor,

-: azufre, cuyo contenido debe permanecer, preferentemente, inferior a 0,015% para obtener una tenacidad suficiente y evitar la aparición de segregaciones en gran espesor,

-: niobio, cuyo contenido debe permanecer, preferentemente, inferior a 0,015% para evitar deteriorar la soldabilidad,

-: el aluminio, que ha servido de desoxidante en el curso de la elaboración, y cuyo contenido debe permanecer inferior a 0,06% para evitar crear precipitados que deterioran la tenacidad en frío.

Para evitar la formación de ferrita \delta, la composición química, preferentemente, debe ser tal, que:

Este acero permite obtener las características siguientes:

Temperatura (K)	293	77	4
Rm (MPa)	>515	>1.000
Re0,2 (MPa)	>255	> 600	>800
A %	>35	>40
KCU (Julios)		>70
K1C (MPa - m^{-1/2}			>130

Para la aplicación prevista, sólo las características a 4 K son imperativas, pero las características a 293 K y 77 K, más fáciles de medir, son un medio de asegurar que las características se obtendrán en buenas condiciones a 4 K.

Con este acero, se ha fabricado una pieza moldeada de 1 tonelada que tiene la forma de "U", con una pared de 300 mm de espesor. Esta pieza experimental es representativa de las piezas que se ha previsto fabricar para realizar una cubierta de bobina superconductora de confinamiento de plasma de una instalación de producción de energía termonuclear. La pieza se ha moldeado sin dificultad, es decir, sin aparición de defectos debidos, por ejemplo, a problemas eventuales de fisuración en caliente.

La composición química del acero era (en % en peso):

Cr	Ni	Mn	N	C	Mo	Si	P	S	Nb	B
17,5	14	6	0,18	0,02	3	0,7	0,02	0,005	0,005	0,0006

El contenido de cobalto era prácticamente nulo.

La pieza se ha cortado para obtener muestras cuyas propiedades se han evaluado entre 293 K (20ºC) y 4 K.

Se ha comprobado que el acero conservaba una estructura totalmente austenítica hasta 4 K, al menos, y que la permeabilidad magnética era inferior a 1,01 en todo el espesor y a cualquier temperatura.

Igualmente se han medido las características mecánicas que eran:

Temperatura (K)	293	77	4
Rm (MPa)	528	1.020	1.100
Re0,2 (MPa)	257	674	859
A %	47	46
KCU (Julios)		177
K1C(MPa . m^{-1/2})			156

Estos resultados, lo mismo que el hecho de que el contenido de níquel no es demasiado elevado y el contenido de cobalto es bajo, muestran que el acero de acuerdo con la invención es apto para la fabricación de piezas, especialmente piezas de una cubierta de bobina superconductora de confinamiento de plasma de una instalación de producción de energía nuclear de fusión, estando estas piezas destinadas a trabajar a una temperatura inferior a 7 K. Estas piezas pueden tener un espesor de, al menos, 300 mm y pesar entre 20 y 40 toneladas.

De manera más general, el acero se puede utilizar para la fabricación de piezas destinadas a trabajar a una temperatura muy baja y que tienen que ser totalmente no magnéticas.

Claims

1. Acero inoxidable austenítico no magnético, para la utilización a muy baja temperatura, y resistente a los neutrones, cuya composición química comprende, en peso:

\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 17%  \leq  Cr  \leq  19%\cr  12%  \leq  Ni  \leq  15%\cr  2,5%
 \leq  Mo  \leq  4%\cr  6%  \leq  Mn  \leq  8%\cr  0,1%  \leq  N
 \leq  0,3%\cr  C  \leq  0,03%\cr  Si  \leq 
1,5%\cr}

- eventualmente, boro con contenidos inferiores o iguales a 0,005%, siendo el resto, hierro e impurezas resultantes de la elaboración, tales como Si, Al, S, P, y Nb.

2. Acero de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque:

3. Acero de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque:

Si \geq 0,2%

4. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque:

Al \leq 0,06%

5. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque:

S \leq 0,015%

6. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque:

P \leq 0,03%

7. Acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque:

Nb \leq 0,01%

8. Utilización del acero de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para la fabricación de una pieza de un dispositivo de producción de energía termonuclear, especialmente un elemento de una cubierta de bobina superconductora para el confinamiento de un plasma.

9. Utilización del acero de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque la pieza se obtiene por moldeo.

10. Utilización de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9, caracterizada porque la pieza tiene una pared de espesor superior a 100 mm.

11. Pieza de una instalación de producción de energía termonuclear destinada a trabajar a una temperatura inferior a 7 K y que debe resistir a los neutrones, caracterizada porque está constituida de un acero según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.