Estudio teórico/numérico de la difusión de hidrógeno en aleaciones base Zr-Nb con interés en aplicaciones nucleares

Abstract

En el marco de los problemas de fisuración asistida por hidrógeno reportados en los tubos de presión de los reactores nucleares tipo CANDU, la presente tesis estudia, en primer lugar, la influencia de la fase continua Zr-β (~20% Nb - ~80% Zr) en el coeficiente de difusión del hidrógeno en las aleaciones bifásicas Zr-α – Zr-β utilizada en dichos tubos de presión. Se analizan los modelos fenomenológicos disponibles en la literatura y se propone un modelo alternativo. En segundo lugar, se estudia la influencia del contenido de Nb sobre el coeficiente de difusión del hidrógeno en la fase cúbica Zr-β empleando la teoría del estado de transición, provista de parámetros calculados de primeros principios (DFT) mediante el código SIESTA. Particularmente se estudian 9 aleaciones ordenadas con composición diferente de Nb, y se determina una energía de activación efectiva mediante un ajuste de Arrhenius para cada valor de composición. Finalmente se concluye, en base a la evidencia reunida a lo largo de la tesis, que: - La pérdida de continuidad de las láminas de Zr-β presentes en la microestructura de los tubos de presión es consistente con la disminución del coeficiente de difusión del hidrógeno a medida que trascurre el tiempo a una dada temperatura. - Los resultados de las simulaciones permitirían establecer que el contenido de Nb en las aleaciones Zr-Nb varía en forma no monótona el coeficiente de difusión del hidrógeno, alcanzando el valor mínimo en la composición 50%Nb. - El comportamiento anisotrópico del coeficiente de difusión del hidrógeno en sentido longitudinal vs sentido radial es consistente con la microestructura texturizada del material obtenida tras el proceso de fabricación, en la cual se favorece la presencia de caminos rápidos de difusión para el H en el sentido longitudinal.Within the framework of the hydrogen-assisted cracking problems reported in the pressure tubes of CANDU-type nuclear reactors, this thesis studies, firstly, the influence of the continuous phase Zr-β (~ 20% Nb - ~ 80 % Zr) in the diffusion coefficient of hydrogen in the biphasic alloys Zr-α - Zr-β used in said pressure tubes. Phenomenological models available in the literature are analyzed and an alternative model is proposed. Secondly, the influence of the Nb content on the diffusion coefficient of hydrogen in the cubic phase Zr-β is studied using the theory of the transition state, provided with calculated parameters of first principles (DFT) using the SIESTA code. In particular, 9 ordered alloys with different composition of Nb are studied, and an effective activation energy is determined by means of an Arrhenius adjustment for each composition value. Finally, it is concluded, based on the evidence gathered throughout the thesis, that: - The loss of continuity of the Zr-β sheets present in the microstructure of the pressure tubes is consistent with the decrease in the diffusion coefficient of hydrogen as time passes at a given temperature. - The results of the simulations would allow to establish that the content of Nb in the Zr Nb alloys varies in a non-monotonic way the diffusion coefficient of hydrogen, reaching the minimum value in the composition 50% Nb. - The anisotropic behavior of the diffusion coefficient of hydrogen in the longitudinal direction vs radial direction is consistent with the textured microstructure of the material obtained after the manufacturing process, in which the presence of rapid diffusion paths for hydrogen in the longitudinal direction is favored.