ES2238184A1

ES2238184A1 - Procedimiento y dispositivo para medir la potencia disipada por la reaccion de hidruracion en tubos y vainas tubulares y la correspondiente variacion de resistencia electrica.

Info

Publication number: ES2238184A1
Application number: ES200400294A
Authority: ES
Inventors: Jose Luis Sacedon Adelantado; Marcos Diaz Muñoz; Jose Serafin Moya Corral; Begoña Remartinez Zato; Jaime Izquierdo Gomez
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Iberdrola SA
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Iberdrola SA
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-16
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: ATE382185T1; WO2005076286A1; EP1722375B1; EP1722375A1; US20070144625A1; DE602005004013D1; ES2238184B1; ES2238184B8

Abstract

Procedimiento y dispositivo para medir la potencia disipada por la reacción de hidruración en tubos y vainas tubulares y la correspondiente variación de resistencia eléctrica. El objeto de la presente invención lo constituye un nuevo procedimiento y dispositivo para medir cinéticas de hidruración, a diferentes temperaturas, en componentes industriales tubulares, caracterizado porque consiste en medir: a) la potencia disipada por la reacción de hidruración, en función del tiempo, y b) la variación de resistencia eléctrica, durante dicha reacción. El uso de dicho procedimiento y dispositivo permitirá la optimización de estos componentes industriales como, por ejemplo, los tubos y vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares y con ello contribuirá a evitar paradas no programadas de los reactores comerciales y a una disminución de la masa de residuos nucleares de alta actividad.

Description

Procedimiento y dispositivo para medir la potencia disipada por la reacción de hidruración en tubos y vainas tubulares y la correspondiente variación de resistencia eléctrica.

Sector de la técnica

Medida de las reacciones y cinéticas de hidruración de tubos y vainas tubulares de elementos metálicos, aleaciones metálicas y cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores.

Estado de la técnica

La hidruración masiva de componentes industriales metálicos es una de las causas de su fragilización y puede llegar a provocar una rotura catastrófica por formación de grietas. Dicho proceso tiene lugar en componentes en contacto con agua a presión y/o en ebullición y a alta temperatura, y se puede agudizar cuando el componente está expuesto a altas concentraciones de hidrógeno como consecuencia de otros procesos. Un caso conocido desde hace algunos años es la hidruración de las vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares, la cual se puede producir masivamente desde el interior de la vaina en caso de pérdida de estanqueidad como consecuencia de un fallo primario. La patente WO0223162 describe un procedimiento y dispositivo para medir la resistencia a la hidruración en estos componentes tubulares para ayudar a la selección de materiales y diseño dirigidos a disminuir los problemas expuestos. Sin embargo, se hace necesaria la determinación de otras medidas para la comparación de las cinéticas de hidruración, lo que permite comparar la respuesta a la hidruración de los distintos elementos y aleaciones de los componentes tubulares y elegir aquellos diseños y composiciones que eviten o retrasen la aparición de estas roturas en los componentes industriales metálicos.

Hasta ahora la determinación de las cinéticas de hidruración de metales y aleaciones se ha realizado mediante termogravimetría y estudios morfológicos de procesos de hidruración en autoclave de trozos de material, lo cual representa en algunos casos, como en el de la hidruración de vainas de combustible, unas condiciones de trabajo distintas de aquellas en las que se produce la hidruración del componente.

Descripción de la invención Breve descripción de la invención

La presente invención se enfrenta con el problema de proporcionar nuevos procedimientos y herramientas para la mediada de cinéticas de hidruración que tienen lugar en componentes tubulares de uso industrial.

La solución proporcionada por esta invención permite la medida de cinéticas de hidruración en los propios componentes tubulares, generalmente multicapa, y en las mismas condiciones de temperatura de trabajo en las que se produce la hidruración del componente, lo que resulta de especial relevancia económica, ya que permiten el diseño y la elección de la composición apropiados de las diferentes aleaciones utilizadas. Una optimización de estos componentes contribuiría a evitar paradas no programadas de los reactores comerciales. Esta posible mejora permitirá además un mayor aprovechamiento del combustible al hacerlo más robusto y una disminución de la masa de residuos nucleares de alta actividad para igual energía generada. Al eliminar un posible origen de fuga de componentes en el agua del reactor disminuiría la dosis de radiación recibida por el personal de mantenimiento y por el que tenga que realizar operaciones en la zona de intercambio.

Por tanto, el primer objeto de la presente invención lo constituye un nuevo procedimiento para medir cinéticas de hidruración, a diferentes temperaturas, en componentes industriales, caracterizado porque consiste en medir: a) la potencia disipada por la reacción de hidruración, en adelante potencia de hidruración disipada (PHD), en función del tiempo, así como su integral en función del tiempo llamada de ahora en adelante energía de hidruración disipada (EHD) y b) la variación de resistencia eléctrica durante dicha reacción, y en especial durante la etapa de disolución de hidrógeno en el componente que precede a la precipitación de hidruros en el material. La reacción de hidruración es la potencia térmica producida por liberación de calor durante el proceso de hidruración.

El segundo objeto de la presente invención lo constituye un dispositivo (Figura 4) para llevar a cabo el procedimiento de medida mencionado constituido por:

a): una cámara de alto o ultra alto vacío en la que la inserción del componente a analizar se realiza a través de dos cierres de vacío para tubos con juntas coaxiales de elastómero, así en el exterior del tubo se puede alcanzar y mantener alto o ultra alto vacío mientras que por el interior del tubo se hace circular hidrogeno, y que cuenta con los dispositivos siguientes para caracterizar el vacío: manómetro Bayard Alpert para la medida de presión total (Figura 4, 1) y espectrómetro de masas para medida de presiones parciales (Figura 4, 2).

b): una línea de gas para hacer pasar hidrógeno o mezcla de hidrógeno con otros gas(es) por el interior del componente,

c): sistemas de calentamiento por efecto Joule, termopares (Figura 4, 3) y sistemas para el control de la temperatura en el componente, y

d): dos electrodos (Figura 4, 4) con forma de anillo u otra geometría bien definida, dispuestos sobre el componente simétricamente y equidistantes del termopar central conectados con el exterior del dispositivo donde van a realizarse las medidas.

Finalmente, el tercer objeto de la presente invención lo constituye el uso del procedimiento y dispositivo mencionados para la realización de medidas de cinéticas de hidruración en componentes industriales metálicos, aleaciones metálicas y cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores, preferentemente componentes tubulares como son los tubos y vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares.

Descripción detallada de la invención

El primer objeto de la presente invención lo constituye un nuevo procedimiento para medir cinéticas de hidruración, en adelante procedimiento de la presente invención, a diferentes temperaturas, en componentes tubulares industriales metálicos o de aleaciones metálicas o de cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores caracterizado porque consiste en medir:

a): la potencia disipada por la reacción de hidruración, en adelante potencia de hidruración disipada (PHD), en función del tiempo, y la energía de hidruración disipada (EHD), y

b): la variación de resistencia eléctrica durante dicha reacción, y en especial durante la etapa de disolución de hidrógeno en el componente que precede a la precipitación de hidruros en el material;

y porque las etapas que comprende este procedimiento son:

i): inserción del componente tubular en una cámara de alto o ultra alto vacío que dispone de los correspondientes cierres de vacío para tubos, manómetro Bayard Alpert para medida de presión total (Figura 4, 1) y espectrómetro de masas para medida de presiones parciales (Figura 4, 2).

ii): circulación de hidrógeno o mezcla de hidrógeno con otros gas(es) por el interior del componente, siendo la permeación del hidrógeno a través de la pared del componente lo que provoca la hidruración del material,

iii): calentamiento del componente por efecto Joule,

iv): determinación de la potencia de hidruración disipada en función del tiempo, de la energía de hidruración disipada, medida durante el proceso, y de la resistencia eléctrica en el componente median- te:

iv.1): la caída de tensión a lo largo del componente, y

iv.2): la variación de la corriente eléctrica aplicada para mantener su temperatura a la predeterminada para la reacción de hidruración.

Tal como se utiliza en la presente invención el término "componentes industriales" se refiere a componentes tubulares, con pared de un solo elemento o con pared multicapa, como son los tubos y vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares.

El control de estos componentes industriales mediante el procedimiento de la presente invención permitirá diseñar y elegir la composición adecuada de las diferentes aleaciones utilizadas para fabricar dichos componentes y evitar así su rotura.

Durante la reacción de precipitación y formación de hidruros, el calor de reacción hace que disminuya la corriente eléctrica aplicada para mantener constante la temperatura, lo que se traduce en una disminución de la potencia necesaria para mantener esa temperatura. La variación o diferencia de potencia necesaria corresponde con la potencia de hidruración disipada (PHD) y es aproximadamente proporcional al hidruro precipitado por unidad de tiempo. Esta variación o disminución se mide en función del tiempo y permite una comparación de cinéticas de hidruración en componentes con distinta estructura y composición, lo que permite un criterio de selección de materiales y diseño. Durante el proceso y mediante la integración con respecto al tiempo se obtiene la energía disipada en la reacción de hidruración que es aproximadamente proporcional a la cantidad de hidruro precipitado.

El segundo objeto de la presente invención lo constituye un dispositivo (Figura 4), en adelante dispositivo de la presente invención, para llevar a cabo el procedimiento de medida de la presente invención y que está constituido por una:

b): una línea de gas para hacer pasar hidrógeno o mezcla de hidrógeno con otro(s) gas(es) por el interior del componente,

c): sistemas de calentamiento por efecto Joule, termopares y sistemas para el control de la temperatura en la pared del componente, y

d): dos electrodos con forma de anillo u otra geometría bien definida, dispuestos sobre el componente simétricamente y equidistantes del termopar central conectados con el exterior del dispositivo donde van a realizarse las medidas (Figura 4, 4).

Durante la reacción de hidruración, la temperatura en la pared del componente debe permanecer constante para lo cual se emplea un termopar y un sistema de control de temperaturas que actúa sobre la corriente aplicada para calentar el componente (c). Además, para medir la caída de tensión eléctrica, y como consecuencia la variación de resistencia eléctrica y la potencia disipada durante la reacción de hidruración a lo largo del componente durante dicha reacción, se emplean los dos electrodos dispuestos sobre el componente (d).

Finalmente, el tercer objeto de la presente invención lo constituye el uso del procedimiento y dispositivo de la presente invención para la realización de medidas de cinéticas de hidruración en componentes industriales metálicos, aleaciones metálicas y cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores, preferentemente componentes tubulares como son los tubos y vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares.

Descripción detallada de las figuras Figura 1. Variación de la resistencia eléctrica durante el proceso de hidruración

Después de la variación de resistencia eléctrica debida al incremento de temperatura, primer tramo de crecimiento, y una vez alcanzada la temperatura del experimento se produce un crecimiento marcado entre flechas debido a la disolución de H en el metal, el máximo final de esta etapa coincide aproximadamente con el principio de la precipitación de H en forma de hidruros.

Figura 2. Variación de la potencia de hidruración disipada

Una vez alcanzada la temperatura del experimento la PHD permanece constante durante un breve intervalo, el tiempo de incubación, tiempo en el cual se disuelve el H sin precipitar. Pasado este lapso que coincide con el crecimiento de la resistencia eléctrica, el PHD crece rápidamente correspondiéndose con el inicio de la precipitación de H en forma de hidruros en el material.

Figura 3. Variación de la energía de hidruración disipada

Corresponde a la integral de la Figura 2.

Figura 4 Esquema del dispositivo experimental de medida de cinéticas de hidruración

En ella se muestra la posición de los electrodos (4) usados para medir la caída de tensión eléctrica en el tubo, los dispositivos de medida de presión: manómetro Bayard Alpert (1), el espectrómetro de masas (2), así como la posición de los termopares para la medida de la temperatura (3).

Ejemplos de realización de la invención Ejemplo 1 Medida de las cinéticas de hidruración en tubos o vainas tubulares

Un procedimiento para medir la potencia disipada y la resistencia eléctrica y obtener así las cinéticas de hidruración en tubos o vainas tubulares se realiza como se desarrolla a continuación.

Se inserta una vaina de combustible nuclear de Zircaloy 2 en una cámara de alto o ultra alto vacío; por el interior del tubo se hace circular hidrógeno o mezclas de hidrógeno con otro(s) gas(es) a la presión de 1 atmósfera y un flujo de renovación de 200 cm^{3} por minuto. La presión parcial en la zona de vacío es de 10^{-9} Torr debida a la permeación del hidrógeno a través de las paredes de la vaina. La vaina se calienta por efecto Joule y la temperatura en el centro de la vaina se controla y se mantiene constante a 360°C (o a otra previamente preestablecida) con un termopar y un sistema de control de temperaturas que actúa sobre la corriente aplicada para calentar la vaina, siendo de 30 A la corriente necesaria para mantener constante una temperatura de 360°C en ausencia de reacción. Los electrodos, colocados a ambos lados del termopar, proporcionan la medida de la caída de tensión eléctrica en la vaina durante la reacción de hidruración. Junto con la medida de la corriente aplicada nos permite obtener el valor de la potencia necesaria para mantener la temperatura constante, así como medir la resistencia eléctrica de la vaina. Al iniciarse la dilución de hidrógeno en la vaina la resistencia eléctrica puede crecer hasta un 3% (Figura 1.) aunque esta variación puede ser menor si la vaina contiene previamente alguna cantidad de hidrógeno, no observándose cambios importantes en la potencia necesaria para mantener la temperatura constante. Cuando empieza la precipitación y la formación de hidruro el calor de reacción hace que la potencia necesaria para mantener la temperatura constante disminuya, por diferencia se obtiene el valor de (PHD) y por integración la energía de hidruración disipada o EHD. La PHD es aproximadamente proporcional al hidruro precipitado por unidad de tiempo y la EHD a la cantidad total de hidruro precipitado. Parando el proceso a distintos valores de EHD pueden obtenerse muestras con distintos espesores del anillo de hidruros. Estas muestras son muy útiles para estudios mecánicos y de la geometría de los hidruros precipitados. La comparación de las curvas de PHD permite un criterio de selección de materiales y diseño. La Figura 1 muestra la curva de variación de resistencia eléctrica, el primer máximo corresponde al final del proceso de disolución de hidrógeno, el máximo final corresponde al final del proceso de hidruración. La Figura 2 muestra la curva de PHD, en ella el máximo indica que la reacción de precipitación es muy rápida al principio del proceso. La Figura 3 corresponde a la curva de EHD.

Claims

1. Procedimiento para medir cinéticas de hidruración, a diferentes temperaturas, en componentes industriales como tubos y vainas tubulares de elementos metálicos, aleaciones metálicas y cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores, caracterizado porque consiste en la medida de:

a): la potencia disipada por la reacción de hidruración, en adelante potencia de hidruración disipada, en función del tiempo, y de la energía de hidruración disipada, medida durante el proceso, y

b): la variación de resistencia eléctrica durante dicha reacción, y en especial durante la etapa de disolución de hidrógeno en el componente que precede a la precipitación de hidruros en el material.

siendo las etapas que comprenden dicho procedimiento:

i): inserción del componente tubular en una cámara de alto o ultra alto vacío,

iii): calentamiento del componente por efecto Joule,

iv): determinación de la potencia disipada por la reacción de hidruración en función del tiempo, de la energía de hidruración disipada , medida durante el proceso y de la resistencia eléctrica en el componente mediante:

iv.1): la caída de tensión a lo largo del componente, y

iv.2): la variación de la corriente eléctrica aplicada para elevar su temperatura a la predeterminada para la reacción de hidruración.

2. Dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de medida de cinéticas de hidruración según reivindicación 1 caracterizado por comprender los siguientes elementos:

a): una cámara de alto o ultra alto vacío en la que se inserta el componente a analizar,

b): una línea de gas para hacer pasar hidrógeno o mezcla de hidrógeno con gas(es) por el interior del componente,

c): sistemas de calentamiento por efecto Joule, termopares y sistemas para el control de la temperatura en el interior del componente, y

d): dos electrodos con forma de anillo u otra geometría bien definida, dispuestos simétricamente y equidistantes del termopar central.

3. Uso del procedimiento y dispositivo según las reivindicaciones 1 y 2, respectivamente, para la realización de medidas de cinéticas de hidruración en componentes industriales metálicos, aleaciones metálicas y cualquier otro material con y sin recubrimientos protectores.

4. Uso según la reivindicación 3 caracterizado porque los componentes industriales son tubulares, entre otros, los tubos y vainas tubulares de combustible en los núcleos de los reactores nucleares.