Modellazione della corrosione in piombo fluente dell'acciaio T91 rivestito

3 Introduzione e obiettivo della tesi Nell’ambito dei reattori di IV generazione, come quello al piombo liquido, le condizioni di esercizio dei componenti si spingeranno ben oltre i limiti a cui sono sottoposti gli attuali reattori ad acqua leggera e pesante: per la guaina del combustibile dei reattori progettati con Pb puro, ad esempio, esse sono particolarmente gravose come mostrato nella Tab. 0. Tabella 0. Parametri critici della guaina del combustibile nei progetti di reattori al piombo di IV generazione Ciò comporta innanzitutto un enorme sforzo internazionale di ricerca e sviluppo a livello di scelta dei materiali. Fino all’attuale II generazione nucleare si sono impiegati alcuni acciai come materiali strutturali per applicazioni ad alta temperatura e speciali come la barriera chimica tra l’elemento di combustibile e il refrigerante: in particolare sono stati utilizzati acciai con struttura ferritica fuori del nocciolo, austenitica e martensitica dentro il nocciolo, nello scafo di contenimento e solo gli ultimi anche nel generatore di vapore. Gli acciai per alte temperature, sviluppati nell’ambito del settore termoelettrico e noti in questo campo come acciai resistenti alle alte temperature, contano ormai anch’essi quattro generazioni: dai primi archetipi degli Anni Venti, fino a quelli dell’attuale ricerca avanzata. Semplificando molto si può affermare che la ricerca nucleare, al momento della scelta dei materiali, ha dapprima caratterizzato questi acciai sotto irraggiamento, quindi ha cercato di modificarne la composizione per farli rispondere meglio ai requisiti specifici (Klueh, 2005). In campo nucleare lo studio dell’acciaio T91 è fondamentale, poiché si prevede che tra gli acciai commerciali quest’acciaio martensitico abbia la migliore resistenza a contatto col piombo e sotto il flusso di neutroni. Gli acciai martensitici con cromo al 9% e molibdeno equivalente all’1% presentano una buona resistenza, sia al creep che alla corrosione, grazie alla loro microstruttura costituita da martensite rinvenuta, in cui precipitati di carburi e carbonitruri sono finemente dispersi. Tra gli acciai martensitici il T91 è il più economico e il più caratterizzato per uso nucleare. Gli acciai con questa composizione sono inoltre i meno soggetti all’infragilimento da neutroni tra gli acciai ferritico- martensitici. A loro volta gli acciai ferritici e martensitici hanno come alternativa, nell’impiego ad alta temperatura, solo pochi acciai austenitici xi con minore resistenza a scorrimento da radiazione e comunque non commerciali. Inoltre, con particolare riferimento al reattore al piombo, gli stessi elementi di lega sono molto solubili in piombo e questo comporta un degrado del materiale a contatto col refrigerante: per questi due fattori è escluso ormai da qualche anno l’impiego degli austenitici nella guaina dei reattori al piombo, contesto entro il quale approfondiremo il comportamento del T91. Infine è necessario chiarire che il T91 non è a priori il migliore acciaio per la guaina combustibile di IV generazione, ma lo è diventato nel corso degli anni: infatti il T91 ha attualmente come punto di forza, rispetto ai suoi derivati a ridotta attivazione nati nell’ambito della ricerca per la fusione nucleare e al ristrettissimo gruppo di austenitici prima citato, un maggiore sviluppo tecnologico che si esplicita nella completa caratterizzazione per applicazioni convenzionali, nel sistema di preparazione e di esercizio normato, e non ultimo, nel basso costo. Il presente elaborato è funzionale all’indagine delle prestazioni del T91 in particolare nei nuovi reattori al piombo come materiale per la guaina degli elementi di combustibile, in cui il fattore più limitante è oggi sicuramente la corrosione. Attraverso un’introduzione che inquadra le caratteristiche e applicazioni convenzionali e nucleari del gruppo dei martensitici cui appartiene e alle condizioni termomeccaniche di esercizio della guaina cilindrica frapposta fra il combustibile e il refrigerante , l’obiettivo è indagare secondo i più recenti sviluppi della ricerca i meccanismi legati alla corrosione del materiale con specifico riferimento all’impiego in guaina. Questi sono prevalentemente provenienti dall’interazione tra la faccia interna e il cilindro combustibile, e tra quella esterna e il refrigerante piombo. SSTAR STAR-H2 BREST 300 BORIS EFIT ELSY ALFRED ELFR DEMO Combustibile (U, Pu)N (92U, 8Pu)N (U, Pu)N (.8U.2Pu)N (U, Pu)Mo MOx 20Pu MOx 30Pu MOx Materiale g. i F/M Si SiC F/M HT9 ii T91 iii T91+Al 15-15Ti T91 T91 Velocità Pb a g. 0.369 m/s 1.8 m/s 1 m/s 1.61 m/s iv 2 m/s 2 m/s 3.0 m/s Max e.c.norm. v 650°C vi 878°C 650°C vii 550°C viii 550°C 550°C 600°C Diametro e. g. 25.0mm 19.05mm 10.4mm 25mm 8.72mm 10.50 mm ix 4.6-6.0mm Spessore g. 1.0 mm 0.8 mm 0.60 mm x 0.34 mm