2.4 - MATERIALI STRUTTURALI

2.4.1 - Considerazioni generali

Sempre nell'ottica di trattare quei materiali che han no rilevante importanza nel ciclo del combustibile, ci si U n i

-ta nel seguito a prendere in considerazione i principali fatto-ri che dettano la scelta dei matefatto-riali impiegati per la incami_

ciatura del combustibile.

I principali requisiti che un materiale incamiciante deve possedere sono:

- buone proprietà meccaniche, in particolare alle alte temperatu re;

- buone proprietà nucleari, per ottenere un'accettabile economia neutronica;

- buona compatibilità col materiale combustibile e col refrige-rante ;

- capacità di conservare buone caratteristiche meccaniche sotto elevate dosi di irraggiamento.

Il comportamento sotto irraggiamento dei materiali strutturali, con particolare riferimento all'acciaio inossida-bile, verrà trattato nel capitolo dedicato agli effetti dello irraggiamento sui materiali.

Per quanto riguarda le proprietà meccaniche vengono riportate alcune considerazioni sul comportamento dei materiali alle elevate temperature, sottolineando ". ' importanza del fenora£

no del "creep".

Le proprietà nucleari di un materiale incamiciante, ed in particolare la sua sezione d'urto di assorbimento, pur costituendo un fattore che deve essere tenuto in dsbito conto, non rappresentano un vincolo aprioristico nella scelta del ma-teriale; ciò a causa delia percentuale abbastanza bassa con la quale i materiali incamicianti entrano a fare parte del noccio lo.

Le caratteristiche di assorbimento neutronico dei ma teriali incamicianti possono peraltro assumere un peso rilevan-te in sisrilevan-temi a.U naturale, nei quali gli assorbimenti parassi-ti debbono essere ridotparassi-ti al minimo.

Allo stato attuale i materiali incamiciarti utilizza-ti nei reattori di potenza sono limitautilizza-ti in prautilizza-tica a leghe di magnesio e alluminio, leghe di zirconio ed acciai inossidabili.

L'unica eccezione di una certa importanza è costinui^

ta dai combustibili per reattori HTR dispersi in matrici inerti, generalmente di grafite o carbonio pirolitico, per i quali non sussiste alcuna necessità di supporto strutturale o di cor.tenimeit to di prodotti di fissione. In questo caso il materiale di inca-miciatura, se presente, pud essere costituito da un rivestimen-to di grafite per prevenire effetti di corrosione o di erosione meccanica del combustibile.

L'impiego delle leghe di alluminio e magnesio è limi tato a reattori che lavorano a bassa temperatura. Il caso più si gnificativo e rappresentato dalla filiera inglese <U reattori gas-grafite a uranio naturale (di cui il reattore di Latina co-stituisce un esemplare), che prende il nome dal materiale di guai na impiegato. Si tratta della lega Magnox a base di magnesio, una

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cui tipica c o m p o s i z i o n e (Magnox A 1 2 ) è: Al 0 , 3 Z , lie U , 0 1 A . In relazione alla attuale t e n d e n z a di abbassare il c o s t o di generazione d e l l ' e n e r g i a elettrica di o r i g i n e n u c l e a -re a t t r a v e r s o l'ottenimento di più elevate d e n s i t à di p o t e n z a , e l e v a t i tassi di combustione ed e l e v a t e t e m p e r a t u r e del r e f r i g e r a n t e , l'interesse per questi materiali è limitato in p r a t i -ca alla fabbri-cazione degli elementi di c o m b u s t i b i l e per i reattori oggi in f u n z i o n e .

Le leghe di z i r c o n i o trovano il loro m a g g i o r e itapie_

go nei reattori ad acqua; e nei reattori a sodio a c o m b u s t i b i l e m e t a l l i c o . Tra queste una delle più d i f f u s a m e n t e impiegate è la lega Z i r c a l o y - 2 della seguente c o m p o s i z i o n e : Sn 4,5Z, Fé 0 , 1 2 2 , Cr 0 . 1 0 Z ; Ni 0,057..

I vantaggi di questa lega rispetto a l l ' a c c i a i o inoS sidabile consistono in una ottima compatibilità con il combusti b i l e , sia sottoforna m e t a l l i c a , che di o s s i d o , e con il r e f r i -gerante (acqua e s o d i o ) . Lssa p r e s e n t a inoltre una sezione Ui urto di assorbimento sensibilmente inferiore a quella d e l l ' a c c i a io i n o s s i d a b i l e , proprietà questa che ha indotto a p r e f e r i r n e l'impiego nei reattori t e r m i c i . A sfavore dulie leghe di z i r c o n i o sta un più t'ievato c o s t o , 1 .i suo capacità di i rif ragi 1 iuento per

idrurazionc e le sue peggiori proprietà m e c c a n i c h e che ne impe-d i s c o n o l'impiego per comlius t ib i 1 i spinti; in relazione infatti alle alte potenze v o l u m e t r i c h e si g e n e r a n o , anche sul 1'incarni eia tura, elevati gradienti t e r m i c i . In tal caso ci si orienta verso gli acciai i n o s s i d a b i l i , il cui impiego nel caso dei reattori veloci .-» combustibile ceramico risulta p r a t i c a m e n t e :'.ndÌ3r » nsabi le.

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C a r a t t e r i s t i c h e m e c c a n i c h e

Le c a r a t t e r i s t i c h e m e c c a n i c h e del m a t e r i a l e da g u a i -na c o s t i t u i s c o n o s e n z a d u b b i o uno dei criteri di scelta più in»

p o r t a n t i , tenuto c o n t o delle r i l e v a n t i s o l l e c i t a z i o n i t e r m i c h e e m e c c a n i c h e tipiche del f u n z i o n a m e n t o d e l l ' e l e m e n t o di combu-s t i b i l e .

A g r a n d i linee le s o l l e c i t a z i o n i m e c c a n i c h e si p o s s £ no pensare o r i g i n a t e dalle spinte e s e r c i t a t e dal c o m b u s t i b i l e per e f f e t t o del r i g o n f i a m e n t o s o t t o i r r a g g i a m e n t o , e d a l l a pres_

sione dei gas di f i s s i o n e r i l a s c i a t i . Le s o l l e c i t a z i o n i t e r m i c h e sono r i f e r i b i l i f o n d a m e n t a l m e n t e agli e l e v a t i g r a d i e n t i di tempe_

ratura che si g e n e r a n o n e l l a g u a i n a a causa d e g l i alti flussi t e r m i c i . A q u e s t e s e v e r e c o n d i z i o n i si a g g i u n g o n o gli e f f e t t i d e l l ' i r r a g g i a m e n t o n e u t r o n i c o e d e l l ' e l e v a t a t e m p e r a t u r a .

Ci si s o f f e r m a qui b r e v e m e n t e s u l l ' e f f e t t o d e l l a temp e r a t u r a sulle temprotemprietà, m e c c a n i c h e e temp r i n c i temp a l m e n t e sul f e n o m e no dello s c o r r i m e n t o v i s c o s o ( c r e e p ) . E ' noto che le c a r a t t e r i stiche m e c c a n i c h e ( c a r i c o di r o t t u r a e di s n e r v a m e n t o ) p e g g i o r a -no a l l ' a u m e n t a r e .'ella t e m p e r a t u r a . T u t t a v i a nel p r o g e t t o delle s t r u t t u r e che l a v o r a n o .-.J e l e v a t a t e m p e r a t u r a per lunghi periodi di tempo il d i m e n s i o n a m e n t o m e c c a n i c o deve e s s e r e e f f e t t u a t o te-nendo conto del c a r i c o m a s s i m o a m m i s s i b i l e per lo s c o r r i m e n t o vi_

scoso che spesso r i s u l t a , alla t e m p e r a t u r a di p r o g e t t o , i n f e r i o -re al c a r i c o di s n e r v a m e n t o .

Come è n o t o , nella prova di trazione usuale si m i s u r a la r e s i s t e n z a con la q u a l e reagisce il m a t e r i a l e in f u n z i o n e d e l

-l'allungamento percentuale. Si nota che in un primo tratto la r£

sistenza con la quale reagisce il materiale aumenta proporziona_l_

mente all'allungamento (zona elastica). Al termine di questa zo-na di linearità il materiale comincia a deformarsi plasticamente fino a raggiungere un tratto di improvviso cedimento (snervamen-to). Segue poi una zona in cui il materiale si deforma plasr.ica-merte e uniformemente su tutta la sezione. (Tig. 2.12).

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F i g . 2 . 1 2 - T i p i c o a n d a m e n t o di u n a c u r v a c a r i c o - a l l u n g a m e n t o p e r u n a c c i a i o al c a r b o n i o - ( a ) D i a g r a m m a c o m p l e t o , ( b ) z o n a e l a s t i c a ed in-'zio d e l l a z o n a p l a s t i c a .

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Infine nell'ultimo tratto il provino resiste sempre meno, la sezione del campione si restringe (strizione) fino a che si raggiunge la rottura.

Sulla curva carico allungamento si possono definire le seguenti grandezze*

a) zona di elasticità, nella quale d valida la legge di Hooke a » E. e, dove E è il nodulo di Young; in questa zona la cei sazione del carico fa sì che il campione riassuma la lunghez-za iniziale;

b) carico al limite elastico a : è quel carico che provoca una deformazione permanente dello 0,021;

e) carico di snervamento a (Yield strength): è quel carico che provoca una deformazione permanente dello 0,2%;

d) carico di rottura a (ultimate tensile strength): è il carico massimo raggiunto nella prova a trazione sopra descritta;

e) allungamento uniforme A : è l'allungamento percentuale subito prima della strizione (che si suppone distribuito uniformemeii te su tutta la lunghezza del provino),

f) allungamento a rottura A : è l'allungamento percentuale corri spondente alla rottura.

La forma drlla curva carico-allungamento cambia oa ma-teriale a mama-teriale e anche per uno stesso mama-teriale cambia aspe£

to a seconda che il materiale abbia subito trattamenti termici, lavorazione a freddo, irraggiamento neutronico.

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La curva carico-ailunganento esprime bene il conpor-tamento a trazione di un materiale quando i tempi di prova sono molto brevi. Se il carico £ applicato per tempi lunghi e la temperatura è sufficientemente elevata (> 500*C per gli acciai) il comportamento sotto trazione può essere studiato riportando in un grafico l'andamento dell'allungamento in funzione del tem p ò .

Fig. 2.13 - Tipico andamento del fenomeno di scc rrimento

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La curva che si ottiene (Fig. 2,13 ) si riferisce ad una determinata temperatura ed ad un determinato carico. In essa si possono individuare quattro tratti:

' . * : • . . * * « = « * * « & . ' - * f li

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1) un primo tratto in cui si ha un allungamento istantaneo;

tale allungamento può essere in parto o tutto di tipo el£

stico;

2) un tratto in cui la velocità di scorrimento de/dt diminu^

see; in tale fase transitoria si può supporre che il mate-riale incrudisca più rapidamente di quanto non avvenga la ricottura dei difetti che bloccano lo scorrimento (creep primario);

3) un tratto lineare in cui la velocità di scorrimento è co-stante e nel quale si può ritenere che la velocità di inerii dioento e di ricottura siano competitive (creep secondario), 4) un ultimo tratto in cui dc/dt aumenta fino a giungere alla

rottura.

Come si nota il creep secondario ha una durata abbar stanza lunga al di là della quale è bene non portarsi mai. La velocità che caratterizza il creep secondario e il tempo per raggiungere la rottura dipendono oltre che dalla natura del ma-teriale, dai carico applicato e dalla temperatura (vedi Figg.

2.14 a, 2.14 b ) .

Fig. 2.14 - Tipici andamenti del fenonc:o di scorrimento viscoso a temperatura (a) e carico (S) costar^

ti

L'esperienza ha messo in evidenza che la velocità di creep secondario, a temperatura costante può essere espres sa dalla relazi_ne seguente:

v - K o (legge di Norton)

dove K ed n sono coefficienti numerici che dipendono dal mate riale considerato e dalla temperatura. Per l'acciaio \ISI 316 L se o è espressa in Kg/cm e il tempo in ore si ha: 2

T C O

600 650 700 800

K 1.1 . 10 -22 2.6 . I O- 1 7

1.1 . I O "1 6

8.2 . 1 0 ~1 4

n 5.5 4.0 4.2 3.8

Al crescere della temperatura l'aumento della veloci tà del creep secondario e la diminuzione del tempo per raggiun-gere la rottura &i spiegano bene con l'aumentata velocità di ri cottura che permette un più rapido ristabilimento delle condizio ni necessarie allo scorrimento.

Il fenomeno di scorrimento viscoso o creep assumo una importanza preminente alle alte temperature in quanto il limite al quale si deve fare riferimento nei calcoli di progetto delle strutture che lavorano a caldo, può non essere più il carico di

I

rottura o quello di snervamento ma il limite di creep. Esso può etsere definito come quel carico che provoca tra la 2 5e s i m a

, -.esima . ,

e la J3 ora una deformazione permanente dello 0.0015Z e in totale un*, deforinazione permanente dell'ordine dello 0,1Z su periodi di prova dell'ordine del migliaio di ore o dell'lZ su periodi dell'ordine di 10 ore.

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2.5 - MATERIALI MODERATORI