Diseño, fabricación y caracterización de lingotes base plata, aleada con indio y cadmio

Abstract

La aleación base Ag que contiene un 15% de In y un 5% de Cd (aleación AgInCd) fue desarrollada como material para barras de control en aplicaciones asociadas a reactores nucleares desde la década de 1950. La Ag y el In poseen secciones eficaces térmicas de captura neutrónica moderadas y una gran absorción de resonancia epitérmica, mientras que el Cd proporciona una sección eficaz térmica muy alta (2450 barns). Por lo tanto, la aleación AgInCd tiene la capacidad de capturar neutrones con energías altas y en un amplio rango, y posee propiedades físicas adecuadas en comparación con el carburo de boro, aleaciones de hafnio y otros materiales absorbentes de neutrones. Actualmente, la mayoría de los reactores de agua liviana a presión comerciales en servicio utilizan la aleación AgInCd como material para barras de control debido a las siguientes ventajas: Larga historia de uso de la aleación en reactores de agua a presión comerciales y una gran cantidad de datos acumulados de irradiación en el núcleo; Bajo índice de hinchado y buena estabilidad estructural bajo irradiación de neutrones; Resistencia mejorada a la corrosión en agua a alta temperatura y buena compatibilidad con el revestimiento de acero inoxidable; Ausencia de hinchado inestable, ya que no se forman productos gaseosos de transmutación a partir de la interacción de los elementos Ag, In y Cd con los neutrones. El objetivo principal de la presente tesis fue el desarrollo y la caracterización de la aleación Ag-15In-5Cd con miras a la fabricación de barras de control para reactores nucleares, evaluando especialmente su aptitud para ser manufacturada por medio de procesos de fundición. Se emplearon las técnicas de medición de gradiente térmico por medio de termocuplas, calorimetría diferencial de barrido y técnicas analíticas de caracterización como espectrometría de rayos X característicos dispersiva en longitud de onda (microsonda electrónica), volumetría y fluorescencia de rayos X. Se lograron resultados satisfactorios para el proceso de colada en pequeños volúmenes y se arribó a definir el método analítico para la determinación de la composición química que más se aproxima a las incertidumbres exigidas por las normas para esta aleación. Como corolario se logró diseñar y poner en práctica exitosamente un proceso de fabricación de la aleación Ag-15In-5Cd, incluyendo en ello la optimización de los parámetros de proceso y las diferentes etapas de la ruta de fabricación. El esquema propuesto se diferencia de los conocidos en la literatura abierta.

The Ag-based alloy containing 15% In and 5% Cd (AgInCd alloy) was developed as a control rod material for applications related to nuclear reactors since the 1950s. Ag and In possess moderate neutron capture thermal cross sections and high epitermal resonance absorption, while Cd provides a very high thermal cross section (2450 barns). Therefore, the AgInCd alloy can capture neutrons over a wide energy range and exhibits suitable physical properties compared to boron carbide, hafnium alloys, and other neutron-absorbing materials. Currently, most comercial pressurized light water reactors in operation use the AgInCd alloy as control rod material due to the following advantages: Long service history of the alloy in commercial pressurized water reactors and a large amount of accumulated in-core irradiation data; Low swelling rate and Good structural stability under neutron irradiation; Improved corrosión resistance in high-temperature water and good compatibility with stainless steel cladding; Absence of unstable swelling, as no gaseous transmutation products are formed from the interaction of Ag, In, and Cd elements with neutrons. The main objective of the present thesis was the development and characterization of the Ag 15In-5Cd alloy for the purpose of manufacturing control rods for nuclear reactors, with a particular focus on assessing its suitability for production via casting processes. Techniques used included thermal gradient measurement with thermocouples, differential scanning calorimetry, and analytical characterization methods such as wavelength-dispersive X-ray spectroscopy (electron microprobe), volumetry, and X-ray fluorescence. Satisfactory results were achieved for the casting process on small volumes, and an analytical method was established for determining the chemical composition with uncertainties closely aligned with the standards required for this alloy. As an outcome, a successful design and implementation of a manufacturing process for the Ag-15In-5Cd alloy was accomplished, including the optimization of process parameters and the different stages of the production route. The proposed scheme differs from those found in the open literature.