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En un estudio predemostrado en la Revista de Materiales Nucleares, se examinó acero inoxidable austenítico recién fabricado con precipitados de NbC nanométricos distribuidos uniformemente (ARES-6) y acero inoxidable 316 convencional bajo irradiación iónica intensa. Se analizó el comportamiento post-hinchamiento para comparar los beneficios del ARES-6.
Estudio: Resistencia al hinchamiento del acero inoxidable austenítico con precipitados de NbC a escala nanométrica distribuidos uniformemente bajo irradiación iónica intensa. Crédito de la imagen: Parilov/Shutterstock.com
Los aceros inoxidables austeníticos (SS) se utilizan comúnmente como componentes internos fabricados en reactores de agua ligera modernos, donde están expuestos a altos flujos de radiación.
El cambio en 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 evolución de la microestructura inducida por radiación que se observan comúnmente en los aceros inoxidables austeníticos.
Además, el acero inoxidable austenítico está sujeto a la expansión por vacío inducida por radiación, lo que puede provocar la destrucción potencialmente letal de los componentes del núcleo del reactor. Por lo tanto, las innovaciones en reactores nucleares modernos, con una vida útil más larga y una mayor productividad, requieren el uso de conjuntos complejos que puedan soportar 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 para mejorar la eficiencia de la radiación, se ha estudiado la función de los principales aspectos de la elasticidad de expansión al 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 pueden garantizar una protección adecuada contra la corrosión en condiciones corrosivas. Además, 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 puedan actuar 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 huecos 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 diversos estudios observacionales han revelado las ventajas de estas características microestructurales para suprimir la expansión de huecos y reducir la separación de componentes inducida por la radiación. Sin embargo, la brecha se regenera gradualmente bajo la influencia de la radiación y no cumple plenamente la función de punto de drenaje.
Los investigadores produjeron recientemente acero inoxidable austenítico con una proporción comparable de precipitados de carburo de niobio nanodispersos uniformemente 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 a la 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 esperadas de resistencia a la radiación según la estructura.
Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto positivo de los carburos de niobio de pequeño tamaño en la resistencia a la expansión. También se investigaron los efectos de la tasa de dosis relacionados con la longevidad de patógenos a escala nanométrica durante el bombardeo iónico intenso.
Para investigar el aumento de la separación, una aleación ARES-6 de nueva producción con nanocarburos de niobio uniformemente dispersos excitó acero industrial y lo bombardeó con iones de níquel de 5 MeV. Las siguientes conclusiones se basan en mediciones de hinchamiento, estudios de microestructura con 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 principal causa del aumento de elasticidad durante el hinchamiento, 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 puede proporcionar un drenaje eficaz.
Tras el bombardeo con iones pesados, se destruye la naturaleza nanométrica cuasicristalina de los precipitados de carburo de niobio. Como resultado, al utilizar la instalación de bombardeo con iones pesados ​​empleada 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 de ARES-6P sea tres veces mayor que la de la placa de acero inoxidable 316, el aumento medido en la expansión es de aproximadamente siete veces.
La disolución de los precipitados de nanocarburo de niobio al exponerlos a la luz explica la gran discrepancia entre la resistencia al hinchamiento esperada y la real del ARES-6P. Sin embargo, se espera que los cristales de nanocarburo de niobio sean más duraderos a dosis más bajas, y la elasticidad de expansión del ARES-6P mejorará considerablemente 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. 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).Resistencia al hinchamiento del acero inoxidable austenítico con precipitados de NbC nanométricos uniformemente distribuidos 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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