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En un estudio previo publicado en la revista Journal of Nuclear Materials, se examinó acero inoxidable austenítico recién fabricado con precipitados de NbC de tamaño nanométrico distribuidos uniformemente (ARES-6) y acero inoxidable 316 convencional bajo irradiación de iones pesados. Se analizó el comportamiento posterior a la hinchazón para comparar las ventajas del ARES-6.
Estudio: Resistencia a la hinchazón del acero inoxidable austenítico con precipitados de NbC a nanoescala distribuidos uniformemente bajo irradiación de iones pesados. Crédito de la imagen: Parilov/Shutterstock.com
Los aceros inoxidables austeníticos (SS) se utilizan habitualmente como componentes internos fabricados en los modernos reactores de agua ligera, donde están expuestos a altos flujos de radiación.
La alteración de la morfología de los aceros inoxidables austeníticos tras la captura de neutrones afecta negativamente a parámetros físicos como el endurecimiento por radiación y la descomposición térmica. Los ciclos de deformación, la porosidad y la excitación son ejemplos de la evolución microestructural inducida por la radiación que se observa comúnmente en los aceros inoxidables austeníticos.
Además, el acero inoxidable austenítico es susceptible a la expansión por vacío inducida por la radiación, lo que puede provocar la destrucción potencialmente letal de los componentes del núcleo del reactor. Por lo tanto, las innovaciones en los reactores nucleares modernos, con mayor vida útil y productividad, requieren el uso de conjuntos complejos capaces de soportar una mayor radiación.
Desde principios de la década de 1970, se han propuesto numerosos métodos para el desarrollo de materiales radiactivos. Como parte de los esfuerzos por mejorar la eficiencia de la radiación, se ha estudiado el papel de los principales aspectos de la elasticidad de expansión en vacío. Sin embargo, dado que los aceros inoxidables austeníticos con alto contenido de níquel son muy susceptibles a la fragilización por radiación debido a la deformación de las gotas de helio, los aceros inoxidables con bajo contenido de austenita no garantizan una protección adecuada contra la corrosión en condiciones corrosivas. Asimismo, existen algunas limitaciones para mejorar la eficiencia de la radiación mediante el ajuste de la configuración de la aleación.
Otro enfoque consiste en incluir diversas características microestructurales que actúen como puntos de drenaje para fallas puntuales. El sumidero puede contribuir a la absorción de defectos intrínsecos inducidos por la radiación, retrasando la formación de agujeros y círculos de desplazamiento creados por la agrupación de vacantes y huecos.
Se han propuesto numerosas dislocaciones, pequeños precipitados y estructuras granulares como absorbentes que podrían mejorar la eficiencia de la radiación. El diseño conceptual de velocidad dinámica y varios estudios observacionales han revelado los beneficios de estas características microestructurales para suprimir la expansión de los huecos y reducir la separación de componentes inducida por la radiación. Sin embargo, el espacio se cierra gradualmente bajo la influencia de la radiación y no cumple completamente la función de punto de drenaje.
Los investigadores produjeron recientemente acero inoxidable austenítico con una proporción comparable de precipitados de carburo de niobio a nanoescala uniformemente dispersos en la matriz, utilizando un proceso industrial de fabricación de acero que posteriormente se denominó ARES-6.
Se espera que la mayoría de los precipitados proporcionen suficientes sitios de absorción para los defectos intrínsecos de radiación, aumentando así la eficiencia de radiación de las aleaciones ARES-6. Sin embargo, la presencia de precipitados microscópicos de carburo de niobio no proporciona las propiedades de resistencia a la radiación esperadas según la estructura.
Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue comprobar el efecto positivo de los carburos de niobio de pequeño tamaño sobre la resistencia a la expansión. También se investigaron los efectos de la tasa de dosis relacionados con la longevidad de los patógenos a nanoescala durante el bombardeo con iones pesados.
Para investigar el aumento de la brecha, se excitó acero industrial con una aleación ARES-6 de reciente producción, que contiene nanocarburos de niobio uniformemente dispersos, y se bombardeó con iones de níquel de 5 MeV. Las siguientes conclusiones se basan en mediciones de hinchamiento, estudios de microestructura mediante microscopía electrónica nanométrica y cálculos de resistencia a la caída.
Entre las propiedades microestructurales del ARES-6P, la alta concentración de precipitados de carburo de nanoniobio es la razón principal del aumento de elasticidad durante la hinchazón, aunque la alta concentración de níquel también influye. Dada la alta frecuencia de desplazamientos, el ARES-6HR presentó una expansión comparable a la del ARES-6SA, lo que sugiere que, a pesar de la mayor resistencia de la estructura del tanque, el desplazamiento en el ARES-6HR por sí solo no proporciona un drenaje efectivo.
Tras el bombardeo con iones pesados, se destruye la naturaleza cuasicristalina a nanoescala de los precipitados de carburo de niobio. Como resultado, al utilizar el sistema de bombardeo con iones pesados ​​empleado en este trabajo, la mayoría de los patógenos preexistentes en las muestras no irradiadas se disiparon gradualmente en la matriz.
Aunque se espera que la capacidad de drenaje del ARES-6P sea tres veces mayor que la de la placa de acero inoxidable 316, el aumento medido en la expansión es aproximadamente siete veces mayor.
La disolución de los precipitados de nanocarburo de niobio al exponerse a la luz explica la gran discrepancia entre la resistencia a la hinchazón esperada y la real del ARES-6P. Sin embargo, se prevé que los nanocristales de carburo de niobio sean más duraderos a dosis más bajas, y que la elasticidad de expansión del ARES-6P mejore notablemente en el futuro en condiciones normales de una central nuclear.
Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., y AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., y AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., y Al-Musa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., y Al-Musa, N. (2022).Resistencia a la hinchazón del acero inoxidable austenítico con precipitados de NbC de tamaño nanométrico distribuidos uniformemente bajo irradiación con iones pesados. Journal of Nuclear Materials. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub.
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