ES2238184B1 - 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. - Google Patents
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
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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.
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.
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.
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.
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 mediante:
- 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:
- 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 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.
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.
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.
Corresponde a la integral de la Figura 2.
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).
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 360ºC (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 360ºC 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 (4)
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,
- 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 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.
Priority Applications (6)
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