C. Capdevila Aceros de Baja Activación

Agradecimientos: M. Serrano y D. Rodríguez (CIEMAT)

Energía Nuclear

Fisión

Fusión

Transmutación

RAFM

Energía Nuclear

Fisión

Fusión

Transmutación

RAFM

Los principales objetivos de ITER (dispositivo tokamak) son los siguientes: Conseguir el calentamiento extendido

de un plasma formado por deuterio y tritio.

Conseguir a largo plazo una operación en estado estacionario.

Probar diversos componentes para un futuro reactor de fusión (DEMO), como por ejemplo el divertor y distintos módulos para el manto.

Probar el concepto de módulos para el manto de generación de tritio

Vasija: Estructura de doble pared con forma de toroide. El conjunto estará acoplado a una estructura de acero inoxidable (AISI 316 LN ITER grade).

‘Blanket’ o manto: Configuración modular anclada a la vasija de vacío. Está dividido en dos partes: 1. Una parte frontal o primera pared,

constituida por una capa de berilio de 1 cm de espesor, una capa de cobre de 1 cm para lograr una buena difusión del calor y una estructura de acero de 30 cm.

2. La segunda parte consiste en una capa de acero con una serie de conductos por los que circula el refrigerante, de unos 30 cm de espesor.

Estos componentes son los que trabajarán en condiciones más extremas, con temperaturas de operación entre 250 y 550 ºC.

Vasija

Blanket

Divertor

HCLL / HCPB

El acero que se va a emplear como material estructural en los módulos del “blanket” será, en una primera fase, el acero inoxidable AISI 316LN.

Ventana de materiales para su uso en TBM (Test Blanket Module)

Temperatura ideal para FW (First Wall): RT – 800 C / 300 – 1100 C

Sin embargo, con posterioridad a su construcción, ciertos módulos de acero inoxidable se sustituirán por los fabricados con el acero RAFM Eurofer’97

Este aumento en las exigencias de operación de los materiales estructurales se ve endurecida en el caso de los futuros reactores de fusión debido a sus requisitos de diseño, obligan a que sus materiales estructurales puedan ser catalogados al final de su vida en servicio como residuo radiológico de “Clase C”, es decir, con tiempos de decaimiento de unos pocos cientos de años

ITER Conceptual Desing Report. ITER DS-18. IAEA. Viena (1991).

El material estructural por excelencia de la industria energética es el acero con tiempos de activación cortos. La reducción de impurezas de alta activación por debajo de un nivel de 1 ppm sería suficiente para obtener un material de baja activación

P. Schiller: “Review of materials selection for fusion reactors”. Journal of Nuclear Materials. Vol. 206, pp. 113-120, (1993).

Elemento a sustituir

Elemento de sustitución

Propiedades y efectos en las propiedades mecánicas

Nb Ta - Nb precursor de carburos muy estables a alta temperatura. - Mejora la resistencia al temple, debido a la formación de precipitados en las placas de Martensita.

Mo V/W - Estabiliza los precipitados de M2X, e incrementa el parámetro de red. - Produce un endurecimiento secundario.

Ni Mn

- Iniciadores de la fase austenítica, contrarrestando los efectos de los iniciadores de ferrita. - Provocan un descenso de la temperatura Ms. - Aumento de la dureza de las estructuras templadas.

Principales aceros de activación reducida

(RAFM)

Eurofer’97 ha sido seleccionado como material de referencia para ser ensayado en TBM

R. Lindau, KIT

EUROFER97 ASTURFER

MELT 1 MELT 2 MELT2

(% wt) (% wt) (% wt)

Cr 8.85 9.5 8.8

Cr 0.092 0.12 0.12

Mn 0.44 0.6 0.44

Aleantes P 130 ppm 50 ppm 30 ppm

S 30 ppm 50 ppm 50 ppm

V 0.18 0.25 0.19

B 10 ppm 20 ppm 20 ppm

N 0.018 0.045 70 ppm

O 8 ppm 11 ppm 0.02

W 1.08 1.2 1.1

Sustitucion Ta 0.15 0.14 0.12

Ti 0.01 0.02 40 ppm

Nb 20 ppm 50 ppm 50 ppm

Mo 50 ppm 50 ppm 50 ppm

Ni 70 ppm 70 ppm 100 ppm

No deseables Cu 400 ppm 100 ppm 100 ppm

Si 0.04 0.05 0.04

Co 200 ppm 100 ppm 60 ppm

Al+Sn+As+Sb+Zr 0.009 0.008 0.08

Otros RAFMChina (CLAM-1); India (Indian-RAFM); España (Asturfer®), desarrollado por Fundación ITMA, CIEMAT y la Univ. Oviedo (CONSOLIDER – Ingenio 2010 / CSD 2008-00079)

EUR

OP

EAN

FU

SIO

N D

EVEL

OP

MEN

T A

GR

EEM

ENT

Proceso de fabricación complejo: Fusión en hornos de inducción en vacío (VIM) y re-fusión en hornos de arco en vacío (VAR) Conformados en caliente y en frío en función del producto final Tratamiento térmico para formar la microestructura (Normalizado a 980 ºC 27 min/aire + Recocido 760 ºC 90 min/aire)

Refrigeración: Para conseguir el elevado nivel de extracción de calor del manto, se requieren estructuras de acero que puedan soportar el refrigerante (He ), y el PbLi líquido en el caso de HCLL, en el rango de temperaturas entre 300–500 ◦C.

Impacto en el confinamiento del plasma: La naturaleza ferromagnética de los acero FM pueden tener un impacto en el confinamiento del plasma. Los aceros inoxidables austeníticos no.

AISI 316 RAFM

Comportamiento mecánico: La baja resistencia al swelling de los aceros SS y las superiores prestaciones a tenacidad y fluencia de los RAFM, hacen recomendables el uso de éstos últimos.

R.L. Klueh, A.T. Nelson: “Ferritic/Matensitic steels for next-generation reactors”, Journal Nuclear Materials, Vol. 371, pp. 37-52, (2007)

Comportamiento mecánico bajo irradiación de neutrones en el reactor HFR en Holanda, BR2 en Bélgica y BOR60 en

Rusia

Energía de impacto de aceros RAFM (EUROFER, OPTIFER y F82H) y T91 hasta 80 dpa Irradiación con neutrones a 300-330ºC. Van der Schaaf 2009

Endurecimiento por irradiación F/M y RAFM N. Baluc 2007

Problemas en los TBMs: - Soldadura - Corrosión - Geometría compleja

Mejora comportamiento a la corrosión con un recubrimiento de varios mm de W depositado por CVD (chemical vapour deposition)

Minimizar los tratamientos post-soldadura (PWHTs).

EL mejor resultado se ha obtenido con soldadura por haz de electrones (EBW), donde un PWHT consistente en un recocido a 720 oC durante 2 h regeneró al microestructura de partida.

Recubrimientos Soldadura

Fabricación de las placas refrigeradoras

E. Rigal et al. CEA

Soldadura laser+HIP Altas exigencias dimensionales

Problemas en los TBMs:

E. Diegele, R. Andreani, R. Lässer, B. van der Schaaf 16th ANS TOFE, Madison, 16th September, 2004

Los aceros RAFM son los principales candidatos para fabricar los TBM debido a las buenas propiedades de extracción de calor, mecánicas, resistencia a la irradiación y comportamiento frente a PbLi.

Los requerimientos de ser un material de ‘Clase C’ hacen que el

control de impurezas sea esencial en la fabricación de RAFM. Problemas con la soldadura al presentar desestabilización

microestructural Es necesario realizar recubrimientos CVD para proteger frente a

la corrosión

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