Estudio teórico y numérico de la difusión de hidrógeno en aleaciones base Zr-Nb

Abstract

En el marco de los problemas de fisuración asistida por hidruros en los tubos de presión de los reactores nucleares tipoCANDU, estudiamos la influencia de la fase continua Zr-β (∼ 20 % Nb - ∼ 80 % Zr) sobre el coeficiente de difusióndel hidrógeno, DH , en las aleaciones bifásicas Zr-α / Zr-β . Proponemos un modelo fenomenológico de la difusión entubos que constituye una mejora respecto de otros disponibles en literatura. También estudiamos la influencia del con-tenido de Nb sobre el DH en la fase Zr-β (cúbica) empleando la teoría del estado de transición, provista de parámetrosab-initio calculados con el código SIESTA. En particular, consideramos 9 aleaciones ordenadas con distintas concen-traciones de Nb, y determinamos energías de activación efectivas mediante ajustes de Arrhenius para cada aleación.Encontramos que la concentració de Nb varía la energía de activación de forma no monótona, pasando por un máximopara Zr-50 %Nb. Finalmente, observamos que la mayor difusividad en la dirección longitudinal (o axial) del tubo vs.la radial, predicha y medida, es consistente con la microestructura texturada del material. Concluimos que la pérdidade continuidad de las láminas de Zr-β presentes en la microestructura de los tubos de presión, es consistente con ladisminución de DH a medida que trascurre el tiempo a una dada temperatura.

Within the framework of the delayed hydride cracking phenomena reported for the pressure tubes of CANDU-type nuclear reactors, we study the influence of the Zr-β (∼ 20%Nb - ∼ 80%Zr) continuous phase on the hydrogen diffusion coefficient, DH, through the Zr-α / Zr-β biphasic alloy. We propose an improved phenomenological model for DH with respect to those found in the literature. Furthermore, we study the influence of the Nb content on DH for the cubic phase Zr-β, employing the transition state theory furnished with ab-initio parameters provided by the SIESTA code. In particular, 9 ordered alloys are considered with different Nb content and effective activation energies are computed by Arrhenius fits for each alloy. We find that activation energies vary in a non-monotonic way as Nb content increases, reaching a maximum value at about Zr-50%Nb. Finally, we observe that the predicted and measured larger diffusivity along the tube axis vs. the radial direction, is consistent with the material texture. Moreover, we conclude that the loss of continuity of the Zr-β sheets present in the tube microstructure, is consistent with the decrease of DH in time at a given temperature.