«e» Misura in pila di velocità di creep su tubi di guaina di acciaio inox in geometria veloce. 7" -[betoni. Comitato Nazionale Energia Nucleare

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Comitato Nazionale Energia Nucleare 7 " -[betoni

Misura in pila di velocità di creep su tubi di guaina di acciaio inox in geometria veloce

A. CALZA BINI, C.COSOLI, (.. I ILA( CI1IONI, M. LANCHI.

A. NOBILI, I . PI.SCL, Uv' . ROCCA, P I . ROTOLONI

••••••••••••••••«••••••••••••••••••••••••e»

RT/ING(75)I6

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Comitato Nazionale Energia Nucleare

Misura in pila di velocità di creep su tubi di guaina di acciaio inox in geometria veloce

\. CALZA BINI, G. COSOLI, G. FILACCHIONI, M. LANCHI, A. NOBILI, E. PESCE, U.V. ROCCA, P.L. ROTOLONI

RT/ING(75)16

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Testo pervenuto nel dicembre 1975

Stampate, in formato UNÌ presso il Comitato Nazionali: per IT,IH Tgia Nmkir.-.

Hìrczionc Centrale Relazioni Esterne Hf>mJ, Viale Regina Margherita 12S (tei. HS2H)

i

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I N D I C E

Pag.

Cap. I - DESCRIZIONE DEGL'ESPERIENZA E DEL DISPOSITIVO 3

1.1 - D e s c r i z i o n e d e l l ' e s p e r i e n z a 3 I..2 - D e s c r i r i o n e d e l d i s p o s i t i v o 4

1 . 2 . 1 - D e s c r i z i o n e d e l f o r c o 4

1 . 2 . 2 - P o r t a c a m p i o n i 5

1.3 - S t r u m e n t a z i o n e 6

1.4 - P r o v i n o 6 1 . 4 . 1 - C a r a t t e r i s t i c h e chimi c o - m e e c ^

n i c h e 6 1 . 4 . 2 - D e s c r i z i o n e d e l p r o v i n o 7

1.5 - Schema d i f u n s i o n a m e n c o 7

Cap. I I - MISURA DELLE GRANDEZZE SPERIMENTALI 9 1 1 . 1 - M i s u r a d i r e t t a d e i p a r a m e t r i d e l l ' e s p e -

r i e n z a 9 1 1 . 1 . 1 - T e m p e r a t u r a 9

1 1 . 1 . 2 - S o l l e c i t a z i o n e 10 1 1 . 1 . 3 - A l l u n g a m e n t o 10 1 1 . 2 - M i s u r a d e l f l u s s o n e u t r o n i c o i n t e g r a t o 10

Cap. I l i - RISULTATI SiV^IMEi^TALl 11 1 1 1 . 1 - E s e c u z i o n e d e l l ' e s p e r i e n z a 11

1 1 1 . 2 -Commento 12 1 1 1 . 2 . 1 - Modulo d i e l a s t i c i t à 12

1 1 1 . 2 . 2 - D e f o r m a z i o n i p e r m a n e n t i 13 1 1 1 . 2 . 3 - R i s u l t a t i d e l l e a n a l i s i

p o s t - i r r a g g i a m e n t o 16

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I l

- • I t '

Cap. IV - IÌICSCIUZIOI.L: D^i RISULTATI 17

IV. 1 - D e f o r m a z i o n i p e r m a n e n t i p l a s t i c h e e

d a c r e e p «20 I V . 2 - C r e e p p r i m a r i o <-'_:

I V . 3 - C o n f r o n t o con a l t r i r i s u l t a t i s p e r i

m e n t a l i ^ j

Can. V - CONCLUSIONI .:';•

TATiELLi •-' - 3

/iCiUllIÌ -.5-52

EinLiOGRAl'iA i 3

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,f[{<j- Ù O o A

L'esigenza di avviare uà programma di r i c e r c a t e n - dente a c a r a t t e r i z z a r e ili r e a t t o r e i l comportamento d e l l a guaiiia d e l l a barra combustibile s i è andata sempre più e v i - denziando, parallelamente a l miglioramento del l i v e l l o di c£

noscenza dei fenomeni l e g a t i a l funzionamento in r e a t t o r e de^L l a b a r r a .

11 c r i t e r i o di impostazione seguito n e l l ' i n d i v i d u a re l a s t r u t t u r a del programma e s t a t o sostanzialmente quello del controllo d e l l e deformazioni permanenti d s l l a guaina af- finchè r e s t i n o al disotto di un valore prefissato e definito in sede di progetto.

La conoscenza del comportamento plastico e maggior mente del creep primario e secondario permette di calcolare con s u f f i c i e n t e approssimazione l a deformazione permanente d e l l a guaina e quindi risolve i l problema posto.

I l programma sperimentale sarà quindi orientato in modo di o t t e n e r e , in un range d i parametri s i g n i f i c a t i v i , d e i d a t i s i c u r i s u l comportamento anelastico d e l l a guaina fissali do l ' a t t e n z i o n e sui t i p i di guaina maggiormente u t i l i z z a t i s i a in campo termico che veloce.

I l programma che comprende t r a l ' a l t r o un notevole

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impegno d i prove f u o r i p i l a è a t t u a l m e i i t e i n v i a d i defiiiizio n e e s a r à e s e g u i t o in c o l l a b o r a z i o n e con l a D i v i s i o n e I.Iateris.

l i d e l Dipartimento Ricerca Tecnologica di yase ed Avanzata.

L ' e s p e r i e n z a ci^c c o s t i - u i c c e l ' o g g e t t o n e l premei, t e l a v o r o può e s s e r e c o n s i d e r a t a p r e l i n i n a r e b i a per q u e l l o che r i g u a r d a l a v e r i f i c a d e l l a v a l i d i t à à e l d i s p o s i t i v o di i r ragliamento p r e s c e l t o , s i a oer ciò che concerne i l problema d e l t r a t t a m e n t o dei d a t i e d e l l ' i n t e r p r e t a z i o n e d e l l e misure e r a p p r e s e n t a i n o l t r e un primo approccio a l l a fenomenologia d e l comportamento in p i l a d e l m a t e r i a l e di g u a i n a .

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I - DESCuIZIOi.i; DELL'ESFIÌHIÌ^,ZA E DEL DISPOSITIVO

1.1 - I n s c r i z i o n e d e l l ' e s p e r i e n z a

L ' e s p e r i e n z a c o n s i s t e n e l l ' i r r a g g i a m e n t o d i ire pr£

v i i i i i n un d i s p o s i t i v o d i t i p o CHOUCA: per l a d e s c r i z i o n e d e l d i s p o s i t i v o e dei p r o v i n i e i rimanda r i s p e t t i v a m e n t e a i s u c - c e s s i v i p a r a g r a f i 2 e 4 .

La s c e l t a d e l d i s p o s i t i v o è s t a t a e f f e t t u a t a essen zialmente per due m o t i v i :

- l a c a p a c i t à di mantenere d u r a n t e i l funzionamento i n r e a t - t o r e l a t e m p e r a t u r a d e i p r o v i n i pressoché c o s t a n t e , c o r r e ^

f:endo l ' i n f l u e n z a d e l f a t t o r e d i forma a s s i a l e d e l f l u s s o e d e l l e v a r i a z i o n i d i potenza d e l r e a t t o r e ;

- l a uua a f f i d a b i l i t à d e r i v a t a d a l l ' e l e v a t o xiumero di esempla r i t;ià p r o d o t t i ed u t i l i z z a t i .

Dei t r e p r o v i n i i r r a g g i a t i uno viene s o t t o p o s t o a t r a z i o n e durante l ' i r r a g g i a m e n t o mentre g l i a l t r i due fungono da " t e s t i m o n i " ; su q u e s t i l e prove d i t r a z i o n e saranno esegui^

t e , n e l l e s t e s s e c o n d i z i o n i d i funzionamento in r e a t t o r e , i;el l e c e l l e a l piombo d e l L a b o r a t o r i o Tecnologie d e i M a t e r i a l i .

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4

1.2 - Descrizione d e l d i s p o s i t i v o

1.2.1 - D e s c r i z i o n e d e l Forno

I l d i s p o s i t i v o s t a n d a r d CHOUCA è c o s t i t u i t o , n e l l a p a r t e c a l d a , da due s i s t e m i c o a s s i a l i : una p a r t e pro p n a m e n t e d e t t a forno ed un insieme i n t e r n o c o s t i t u ì t o d a l porta-campione e r e l a t i v a s t r u m e n t a z i o n e .

I l forno e in ;_;rado d i mantenere c o s t a n t e l a temper':

t u r a a l l ' i n t e r n o d e l porta-campioni t r a m i t e s e i e l e - menti r i s c a l d a n t i a l i m e n t a t i da b l o c c h i di potenza s i t u a t i n e l l a "baie de c o n t r o l " ; t a l i bloccni sono a s s e r v i t i ad un e l a b o r a t o r e e l e t t r o n i c o t i p o v , t - 1 u che confronta in continuo i s e g n a l i proveniei t i d a l l e termocoppie d i c o n t r o l l o , s i t u a t e s i a n e ^ l i elementi r i s c a l d a n t i che a l l ' i n t e r n o del port acampi one, con un segnale di r i f e r i m e n t o r e g o l a b i l e secondo l a tempera t u r a s c e l t a per l ' e s p e r i m e n t o .

Tale c o s t a n z a di v a l o r i porta e / / r a d i e n t i t e r m i c i as s i a l i o i ' a ù i a l e u e l i ' o r o m e d i 1°0.

Gli e ]r. l e n t i r" s a l d a n t i in ?hemoco&>'. sono a v v o l t i ili s p i r e l o n g i t u d i n a l i a l l t e t e r n c d i un tubo di a c - c i a i o i n o x , i l cui i n t e r n o c o s t i t u i s c e i l voluf-e ut_i l e per i l porta-campione. Queste r e s i s t e n z e e l e t e r mocoppic d i c o n t r o l l o sono f i s s a t e in loco t r a m i t e un s o t t i l e tubo d i a c c i a i o i n o s s i d a b i l e modellato magne- t i c a m e n t e , i l t u t t o viene annegato in un r i v e s t i m e n t o di molibdeno s p r u z z a t o con p i s t o l a a l plasma e r e t t i i _ i cato fino a dimensione v o l u t a . Come r i v e s t i m e n t o e s t e r no viene u s a t o un tubo in ,\I3I jO-', s e r r a t o ina,_ n e t i c a -

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n

Olente SUL ì^o 6 p r U 2 2 . t t t O . A q u e s t a pcir**.e " C a l d e i " e collegato va. tubo con la funzione di contenitore della strumentazione fino al raccordo con la parte alta del dispositivo che porta fuori pila le connessioni relative a termocoppie, elementi riscaldanti, cavità risonanti, circuit, di pressurizzazione (^ak, dispositivo di messa sotto sollecitazione, ecc.).

1.2.2 - Portacampioni

In Figura 1 viene riportata la sezione longitudina le del portacampioni F.I.G.A. 1.

I" costituito da un tubo in acciaio 304 dentro il qua le sono alloggiati sia i provini sia la strumentazione, ha inoltre il compito di contenitore per il i.ak.

i.ella parte inferiore un robusto cilindro funge da an coraggio per il campione sollecitato e ria supporto per un provino da irraggiare. In posizione superiore tro- viamo l'ancoraggio mobile (sostegno per il secondo cam

pione da irraggiare), che per effetto della prensione tende a sollevarsi inducendo così una sollecitazione di trazione sul provino. Solidale a tale tubo che svcl.

gè contemporaneamente la funzione di palpatore, si t-o va uno stelo rigido collegato al pistone della cavità risonante di misura. La tenuta tra la zona cosiddetta sperimentale e la sezione di misura è assicurata da due soffietti metallici Calorstat.

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6

1.3 - St rumen'.azione

Allo scooc ci determinare la temperatura ci ::ro\a sono state utilizzate sei termocoppie Jhro:r.el-Alur::el rivesti- te iu acciaio inox C O L un aiai.'etro di C.r r-n. Jo:.o posiziu..:.- te sui provini tradite cottili conticeli] n. lamierino di :.c- ciaio inox saldati a punti, ;.er la ri lev azione in continuo

delle d ef orazioni indotte e. nil a sollecitazione ci si -, .r-.i (1)

ti, cone per le esperienze CRZ'TS -ci un dispositivo u Civi- ta risonante ( Ref. 2, 3).!-"1- capsula • inoltre equi >a;^iatn so.- captori potenziometrici per la rilevazione cella oresr ione, .JÌ sollecitazione e aei valori di pressurizzazione urli'intero dispositivo '..a:., carrier'1 tarmica).

I segnali provenienti da termocoppie, caoton :.aro- metrici e cavita ai misura sono inviati per la r«v is trazione ili continuo ad un registratore tnultivie ...^.'JI ed ad un calco- latore che memorizza i dati e fomiece i grafici delle Fig£.

!.>', - irovino

1.4.1 - C a r a t t e r i s t i c h e cì.imico-rneccanich .-

I l •materiale s c e l t o - ier q u e s t a ori ina prova •'. un acciai io a u s t e n i t i c o c e l l a s e r i e jOO, l ' A I J I j 1^r, s c e l t a ^ i u n i f i c a t i v a n e l l ' a m b i t o a e i m a t e r i a l i i n c a m i c i a t i t i per elementi combusti s i l i d i i i l i e r e v e l o c i r a i i r e c c a t i v m e t a l l o l i q u i d o .

Ili p a r t i c o l a r e , LI orino l o t t o di p r o v i n i • s t a t o r i - cavato da uno stoc> di t u b i i o r n i t i d a l l a Fines Tubes L t d . ( o r d i n e CI.ÌÌH 1\. 1 2 ^ 3 ) .

Iti T a b e l l a 1 vendono i o r n i t i i d a t i r e l a t i v i a l l f ai.a

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7

li&i chimico—Eie e cani e he dell'acciaio.

I.<.2 - Descrizione del provino

In Pig. 2 viene riportato il disegno cosiruttivo del provino. Tale disegno è uguale per tutti i campioni da irraggiare sotto sollecitazione o liberi.

Alle estremità d°l tubo provino sono saldato le due teste filettate per l'ammoraaggio nel porta-campioni.

Particolare cura è stata richiesta nella esecuzione delle saldature, onde non introdurre alterazioni ne_l la sezione utile di prova.

1 . 5 - Schema di funzionamento

In Pig. 3 è riportato uuo schema semplificato della esperienza.

Allo stazionamento del reattore, le resistenze riscaldanti (1) forniscono il calere necessario (oltre al calo re fornito dal riscaldamento v ) pe** raggiungere la temperatura di prova (500*550°C); a questo punto, dal tubicino (2) viene fatta affluire una corrente d'elio sino a raggiungere

la pressione necessaria all'ottenimento della forza di trazione richiesta (- 190 Kg). L'allungamento prodotto dalla sollecitazione sul campione (3) tende a spostare verso l'ai to, tramite lo stelo (4), il pistone (5) della cavità risonante di misura (6). La microonda, generata dal Klystron (7), viene riflessa e l'onda di ritorno viene analizzata dall'osci], lografo (8). Sullo oscilloscopio si vedranno due picchi di risonanza la posizione dei quali è strettamente correlata ai

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8

volumi delle cavità di misura (6) e di riferimento (9),cioè alle posizioni delle basi delle due cavità. Inizialmente i picchi vengono posti in coincidenza. Io spostamento del mi- crometro (10) necessario per riottenere la sovrapposizione dei due picchi, darà automaticamente il valore dell'allunga mento indocto sul campione, cioè dello spostamento della ba

se della cavità (6).

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II - MISURA DELLE GRANDEZZE SFJHIK&.TALI

Per quanto riguarda le condizioni sperimentali, tut te le grandezze misurate, quali temperature, pressioni nelle varie zone del dispositivo, dilatazione del campione, ecc., sono registrate in continuo mediante registratore nonché me- morizzate e rilevate con periodicità prefissata, mediante cai colat' re.

IJ., 1 - Misura diretta dei parametri dell' esperienza

11.1,1 - Temperature

Le temperature sui tre campioni irraggiati sono miFu rate tramite 6 termocoppie posizionate come indicato in figura 1.

La temperatura del campione sottoposto a trazione è quella misurata dalla termocoppia 3 posta nel suo piano mediano, Si può tuttavia notare (Pig, 4) come la differenza tra le termocoppie T,,, - T sia molto

w 1 L*p

bassa (^ 1°C), Le v a r i a z i o n i riguardano essenzialmen t e l a T_, che è posta a l l i v e l l o d e l i<aK,

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RT/1NG(75)16

io

II.1.2 - Sollecitazione

La s o l l e c i t a z i o n e C a cui è sottoposto i l campione viene c a l c o l a t a s u l l a base d e l l a misura d e l l a diffe renza t r a l a pressione e s t e m a e l a pressione inter- na ai s o f f i e t t i d i t r a z i o n e :

A 2.7 b = AP - - - - = P

Ac " 0.0816 4

dove: A_ è la superficie efficiente dei soffietti di trazione,

A„ è la superficie delle sezione della guaina.

II. 1.3 - Allungamento

Viene eseguita la misura diretta dello spostamento della testa filettata superiore del campione sottoposto a trazione; l'allungamento viene calcolato per differenza.

II.2 - Misura del flusso ueutronico integrato

Sulla base della dosimetria del reattore e delle misure dei monitors inseriti nel dispositivo è stato ricava- to il flusso integrato di neutroni veloci di energia superi£

re ad 1 Hev (la sezione efficace utilizzata è stata mediata sullo spettro relativo al canale di misura); nella Tabella II sono riportati i valori medi della fluenza al centro di

20 2

ogni provetta, in 10 n/cm (Ref. 5).

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«% »/ »J.1VJI 'Jf*

III - RISULTATI SPERIMENTALI

III.1 - Esecuzione dell'esperienza

Un primo irraggiamento è stato eseguito 1•11 gen- naio 1973: il dispositivo è stato però rapidamente estratto dal core in quanto non si è riusciti a raggiungere la tempe ratura prevista di 550°C a causa dei limiti delle resistenze di riscaldamento utilizzate nella parte bassa del rig.

I dati relativi a questo primo tentativo 3ono riportati in Tabella III.

Successivamente è stata sostituita la parte riacal dante del rig ed il dispositivo CHOUCA OLB 38 è stato introdotto nel canale 336 del reattore CILOE' nel successivo ciclo di febbraio.

Le prove di trazione a freddo sono state effettua te il giorno precedente l'inizio dell'irraggiamento e sono riportate in Tabella IV.

La serie completa dei dati effettuata durante il ciclo di irraggiamento durato dall'8 febbraio all'1 marzo 1973 è riportata in Tabella V.

Nella Tabella VI vengono riportati per comodità i dati salienti dell'esperienza, estratti dalla Tabella gene- rale V.

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III.2 - Commento

III.2.1 - Modulo di elasticità

Le informazioni sul modulo di elasticità vengono desunte sulla base dei dati rilevati durante la prova a freddo riportata in Tabella IV ed in -^igu ra 5. Come si nota in Figura le dilatazioni 3ia a freddo, 38°C, che a caldo, 550°C, sono elevate in rapporto alle sollecitazioni applicate.

Nelle due misure effettuata a freddo i valori ri••

2 2 cavati sono 10.400 Kg/mia e 11.100 Kg/mm , mentre

a 550°C il valore scende a circa 4.000 Kg/mm~.

I moduli di elasticità corrispondenti risultano quasi la metà dei valori che ci si aspetterebbe.

In realtà si possono escludere sia errori nelle mi sure delle dilatazioni sia nelle sollecitazioni aja plicate (sono state controllate le sezioni dei sof_

fietti di trazione); risultano invece evidenti le influenze del sistema di misura il quale probabilmen te non è fedele per pressioni variabili a causa de_l le dilatazioni del sistema sotto gli sforzi applica ti. Non è quindi possibile misurare il modulo di elasticità del campione (ma piuttosto dall'insieme campione-si3tema di trazione), anche se le solleei tazioni applicate al sistema di misura sono notevolmente ridotte rispetto a quelle del campione, per effetto delle diverse geometrie e temperature interessate.

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13

D ' a l t r a parte verrà i n seguito misurato i l v a l o r e d e l modulo di e l a s t i c i t à del materiale s i a i r r a g - g i a t o (due provini a f f i a n c a t i a l campione i n t r a - zione) s i a non i r r a g g i a t o ; per questo motivo l e d i f f i c o l t à n e l l a misura di E non sono di r i l e v a n - t e importanza.

I I I . 2 . 2 - Deformazioni permanenti

. i e l l a Figura 6 è rappresentata t u t t a l a s t o r i a del.

l ' i r r a g g i a m e n t o . Le numerose misure e f f e t t u a t e per mettono di seguire bene i l fenomeno, tenuto conto d e l l a complessità di comportamento causata da alcu n i f a t t o r i che hanno disturbato l ' e s p e r i e n z a s t e s -

s a . In p a r t i c o l a r e sono s t a t i elementi di d i s t u r b o : l ' a t t r i t o d e l sistema di misura; g l i abbassamenti di potenza d e l r e a t t o r e e l a n e c e s s i t à di i n t e r v e - n i r e s u l s o f f i e t t o di trazione per variare IF* poei^

zione d e l palpatore di misura.

Come s i nota n e l l a Figura 6 l a v e l o c i t à di creep è n e l l e prime 100 ore (a parte l ' i n i z i o d e l l a curva, r e l a t i v o a l l a s a l i t a a potenza d e l r e a t t o r e ed a l -

1 Aumento I e l l a pressione nei s o f f i e t t i fino a l va l o r e s t a b i l i t o d i 69 Kg/cm2, GT • 22,82 Kg/mm2) d i c i r c a I /u/h. Lo seram d e l r e a t t o r e a l tempo t * 25 ore non dovrebbe avere causato e f f e t t i apprezzabi- l i ; l e due misure prima e dopo d e l l o scram sono c o e r e n t i .

Le misure dopo 100 ore mostravano un appiattimento

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^-~-—--• * - > * ;-•&*&;••• ••ttzrsift •

14

della curva ingiustificato, per cui si è deciso di intervenire sul dispositivo di misura onde verifi- care il contatto palpatore-guaina. Allo scopo è stata abbassata leggermente la oressione sul sof- fietto (unico per la misura e la sollecitazione;

€T passa a* 162 Kg/mm ) , ed è stata poi riportate al valore di 69 Kg/cm² ( 5" » 22,82 Kg/mm²).

La conseguenza della manovra ( a t - 140 ore) è sta to un rapido aumento della velocità di deformazio- ne, tanto da raggiungere al tempo t = 175 ore il valore coerente con £ « 1 fVh.

Per spiegare il fenomeno si può pensare ad un attri to nel sistema di palpeggio che falsa lo sforzo ef_

fettivo esercitato sul provino, per cui occorre di tanto in tanto verificare la posizione del palpat£

re. La curva sperimentale si discosta nuovamente dalla £ » 1 yu/h dopo t » 210 ore ed il fenomeno del recupero delle misure dopo una variazione di pressione si è ripetuto verso t = 270 ore per uno scram del reattore intervenuto quando ni era appun to deciso di riverificare il paipaggio. A tempo t = 300 dopo lo scram menzionato, i putiti epe ri men tali si dispongono bene su una curva £ = 0,65 /u/h, ma restano tutti spostati di circa 135 /U in meno di deformazione, dopo lo scram.

Per spiegare questo spostamento della misura, si può pensare al recupero almeno parziale delle de- formazioni anelastiche (~ 130 AI) ottenute in pre- cedenza durante l'aumento della sollecitazione fi- no a 22,82 Kg/mm (la deformazione plastica b di circa 2,1 nun, senza cioè contare il creep successivo),

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15

Per t = 34O ore un abbassamento di potenza del reattore non comporta variazioni apprezzabili nel- l'andamento del fenomeno, salvo una leggera variazione di pendenza della curva: £ =0,5 /i/h anziché Of65 /u/h; tale variazione potrebbe però essere in dipendente dallo scram.

Per t = 45O ore ai nota un rapido incremento delle deformazioni, tanto da poter pensare che si tratti dell'inizio del creep terziario (la deformazione totale al momento è ~ del 3,5/' così ripartita pre- sumibilmente: 575 M di dilatazione termica; 504 AI di dilatazione elastica, dei quali 150 ,u circa del provino e 350 del sistema di misura; 2,103 ma di deformazione plastica e 402 AI da creep). La penden za della curva passa bruscamente da 0,5 /U/h a cir ca 1,5 /u/h; purtroppo un altro scram del reattore interrompe il fenomeno e non si può più accertare se si è raggiunto 0 meno il creep terziario perchè la curva riprende da valori più bassi ("40 AJ) del la deformazione totale (fenomeno già notato in oc- casione del precedente scram: deformazione anelast_i ca rilassata in totale 130 + 40 = 17C AI) confer mando comunoue la variazione di velocità di creep già notata.

Quando il reattore viene spento, per t = 515 ore, resta quindi l'incertezza sull'interpretazione dejL l'ultimo tratto della curva; si preferisce comunque non proseguire l'irraggiamento (ed il creep) nel c_i ciò successivo per non perdere le informazioni, oj;

tenibili con esami di post-irraggiamento, sullo sta to del campione, informazioni necessarie per via delle incertezze sulle misure effettuate.

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16

I I I . 2 . 3 - Risultati delle analisi post-irraggiamento

Le misure prima e dopo l'irraggiamento, effettuate nel LAMA (Laboratorio a c e l l e calde) di Grenoble sono qui di seguito riassunte (Ref. 6 ) :

Tabella VII

Risultati misure pre/post-irraggiamento

P o s t - i r r a g . (mm)

96.674 96.614 96.581

P r e - i r r a g . (mm)

94.073 94.071 94.066

Differenza (mm)

2.601 2.543 2.515

Media (mm)

2.553

ì

(22)

. ^ft^aiprta^i^gfcfwijy'iiggwi^ •W*'*

17

IV - DISCUSSIONE DE7 RISULTATI

In Figura 7 sono r i a s s u n t i i r i s u l t a t i d e l l e misu- re di deformazioni permanenti, p l a s t i c h e e da creep, o t t e n u - t e durante l e prove a freddo ed a caldo.

I l r i s u l t a t e di 2.505 mm è confermato d a l l a misura post-irraggiamento in c e l i ? calda di 2.553 mm, non essendo r i l e v a n t e l a d i f f e r e n z a di 48 AX (~ 1,9# d e l t o t a l e ) .

Forniamo qualche chiarimento s u i dati rappresenta- t i : con riferimento a l l e Tabelle IV e V ed a - l a Figura 7 s i può notare che l a prova a freddo e f f e t t u a t a i l giorno 7 / 2 / 7 3 ore 16.00 ha causato una deformazicne permanente di 32 AI n e l l ' a p p l i c a z i o n e di 5 - 3 0 - * 5 Kg/cm , s u l s o f f i e t t o di t r a z i o n e ; 2 dopo di che è s t a t a aumentata gradualmente l a pressione fino a 69 Kg/cm (misura 9 . - 0 4 , ore 2 0 . 5 0 ) . A questo punto è i n - cominciato i l creep d e l l a guaina; a l l e ore 14.00 d e l 9 / 2 / 7 3 i l palpatore è s u l l a posizione 8 . 8 8 8 , c i o è i l creep ha i n c r e stentato l a deformazione a s s i a l e , a s o l l e c i t a z i o n e c o s t a n t e

( * = 22,82 Kg/mm2), di 116 ,u.

Riabbassata l a pressione a 49 Kg/cm s i è misurato 2 9.081 e i n f i n e s i è r i p o r t a t a l a s o l l e c i t a z i o n e e l a presalo ne ai v a l o r i precedenti, riottenendo 8 . 8 8 0 , c i o è i l v a l o r e

- di i n i z i o d e l l a manovra su i n d i c a t a . La deformazione p i a -

(23)

18

~>

stica imputabile all'aumento di pressione da 49 a 69 Kg/cm"

è dunque di 1.587 /U forniti dalla differenzq tra le due mi sure a 49 Kg/cm (10.784 - 9.081 = 1.703) diminuita della 2 ' pfj-te imputabile al creep (no u) nelle ore intercorse tra le due misure (e che sarà conteggiata successivamente come deformazione da creep),'

Il giorno 8/2/73 iniziando l'irraggiamento (ore 9.30) la posizione iniziale è 12.185 (leggermente diversa da quella del giorno precedente probabilmente per effetto della temperatura del refrigerante più bassa con il primario in fun zione) e si ottengono 396 ^u di dilatazione termica,dopo aver sostituito il neon all'elio nella barriera termica. In realtà nel grafico 7, come nella Tabella VI sono stati segnati i valori ohe si presumono corretti ( 11.611 a 1,5 Kg/cm ; 11.50" 2

r>

a 9 Kg/cm ; in base alla considerazione che sembra più giusto il valore di dilatazione termica (575 M) ricavato alla fine dell'irraggiamento (1/3/73 ore 16.<V>) e corrispondente ad un

-5 -1

coefficiente diespansione termica «i = 1,15 . 10 °C molto realistico e coerente del resto con il valore rijavato nella stessa prova dell'8/2/73 fino a 357°C,prima del cambiamento del gas nella barriera termica. Sempre nella Tabella VI si può notare (prova de] 7/2/73) che per una variazione di - 5 Kg/cm si hanno circa 10*15 /U di dilatazione (quindi 11 p.

per correggere il valore della lettura nel passagio da 4,5 a 9 Kg/cm ). Nella Figura 7 si nota anche la deformazione permanente di 484 /U (con riferimento al valore corretto •-.

9 Kg/cm ) ottenuta nella fa3e di applicazione della pressio-2 ne da 9 a 49 Kg/cm" sul soffietto di trazione; dopo di che h , ? stata aumentata gradualmente la pressione fino a 69 Kg/cm'"

(misura 9.004,ore 20 e 50'). A questo punto è incominciato

(24)

19

il creep della guaina; alle 14 del 9/2/73 il palpatore è sul la posizione 8.888, cioè il creep ha incrementato la deforma zione assiale, a sollecitazione costante (6 = 22,82 Kg/min ) , di 116 /U. Riabbassata la pressione a 49 Kf/cm* si è misura- to 9.081 e infine si è riportata la sollecitazione e la pre£

sione ai valori orecedenti, riottenendo 8.880, cioè il valore di inizio della manovra su indicf.ta. La deformazione plastica imputabile all'aumento di pressione da 49 a 69 Kg/cm è dunque di 1587 M forniti dalla differenza tra le due misure a 49 Kg/cm^ (10.784 - 9.081 = 1.703) diminuita della parte imputabile al creep (116 AX) nelle ore intercorse tra le due misure (e che sarà conteggiata successivamente come deformazione da creep).

In conclusione la deformazione plastica totale è costituita dalla somma dei 32 ,u del 7/2/73, dei 484 ,u da

c a 4A Kg/cm iniziali e dex 1587 M (1703-116) relativi al- 2 '

la variazione da 4° a 69 Kg/cm ; cioè risulta essere 2,103 mm.

Sommando a tale valore di deformazione plastica (cioè dipendente dalla sollecitazione e non dal tempo di applicazione della stessa) il valore di deformazione da cree (cioè dipendente dal tempo) misurato durante le 515 ore d'ir raggiamento, si ha 2,103+0,402 + 2,505 mm.

Questo risultato, corre è stato detto, è in accordo con la misura effettuata al LA-1A (2,553 mm); la differenza di 48 /U è facilmente spiegabile come deformazione permanente causata durante le prove a freddo del 9 e 10/1/73

(Fig. 8 . ) .

I I

(25)

20

In realtà durante la prova del 9/1 si misurano 25 2

AX di deformazione plastica ancora a 4 Kg/cm mentre non si 2

ha alcuna differenza a 2 Kg/cm . Probabilmente per pressio- ni così basse il sistema di misura stesso può non comportar- si in modo corretto. Analoga situazione si ha durante la pro va del 10/l/73; circa 30 Ai di deformazione residua fino a 4*5 Kg/cm • poi praticamente più niente.

Si può quindi dire che sia per l'incertezza nella misura, sia per l'incertezza sul rilassamento delie deforma zioni anelastiche relativo a queste due prove preliminari, una deformazione iniziale tra 0 e 50 AX è possibile.

IV.1 - Deformazioni permanenti plastiche e da creep

La misura delle deformazioni plasticne, avvenute cioè durante l'applicazione della sollecitazione fino al va-

2

lore massimo di 2282 Kf/cra , si può ritenere abbastanza fede

(26)

21

le. Pur essendo infatti il sistema di misura sollecitato con- temporaneamente al provino, la deformazione totale misurata, somma delle tre componenti elastica, termica e plastica, è influenzata dal collegamento al sistema di trazione-misura solo per una aliquota riguardante la componente elastica (so- no da escludere deformazioni permanenti del sistema, per il quale la sollecitazione è notevolmente più bassa, e si posso- no ritenere trascurabili le dilatazioni termiche dell'astine del palpatore, in minima parte a temperatura elevata). D'al- tra parte la dilatazione elastica è costituita solo da circa 150 /U su 3182 yU (creep escluso) cioè da circa il 4,5>

della deformazione totale del campione, mentre i 350 AI circa di dilataziore elastica del sistema rappresentano ~ 11 • della deformazione totale misurata fino all'applicazione della pres-

2 sione di esercizio (69 Kg/cm ).

I calcoli di deformazione del provino sono stati ef- fettuati con il codice NUME, messo a punto dal Laboratorio Stu di Combustibile, e forniscono in corrispondenza alla sollecita zione ed alla temperatura dell'esperienza in studio i valori di 150 AÌ per la deformazione elastica (e di 16.000 Kg/mm per 2

il modulo di Young)

Nessun errore è invece introdotto dal sistema di mi- sura durante il creep (sollecitazione e temperatura costanti).

Durante le 515 ore di creep si sono però verificati degli ab- bassamenti di temperatura 0 pressione casuali (scram e verifi che di funzionamento) di breve durata. Come già detto si è no tato in queste occasioni un parziale recupero delle deforma- zioni con il tempo; in particolare in due occasioni, t = 270 ore e t = 485 ore, sono stati misurati rispettivamente 130 M e 40 /U in meno delle misure precedenti le variazioni di tem-

(27)

Ht.^^^^g^ft.jn^ ->S-W'SiKiSf*v*^*^Y 4^5?T- if;'VftJ^«^_*^^'J*fcVìi!teJ.JsS'\**Si'j.

Ti

pelatura. Come suggerito i n Ref.7 s i può s c r i v e r e l a defor- mazione t o t a l e da creep £ come somma di quattro componenti t = £ + £ + £ + £ • t , e l a s t i c a , a n e l a s t i c a , plaSv^ca in «

e a p c

t r a n s i t o r i o e da creep secondario ( v i e n e ignorata l a £ tenni ca) d e l l e quali l e prime due recuperabili ( l a secondati fun- zione del tempo) e l e a l t r e no.

Si può quindi d e f i n i r e un modulo a n e l a s t i c o , in mo- do analogo a quanto s i f a per l a componente e l a s t i c a , come rapporto t r a s o l l e c i t a z i o n e e deformazione a n e l a s t i c a r e l a t i va (E » 135/100.000 = 0,00135)

a ?

A = 6 /t = 22,82/0,00135 = 10.900 Kg/min

Questo valore è minore, ma in buon accordo con q u e l l i sugge- r i t i in Ref.7 compresi t r a 28.000 e 5.500 Kg/ram per tempera ture v a r i a b i l i t r a 600 e 850°C. naturalmente i l valore di ir

a è da i n t e n d e r s i come valore l i m i t e f i n a l e , c i o è dopo uri tempo sufficientemente lungo perchè l a deformazione a n e l a s t i c a s i a s t a t a t u t t a recuperata. Sarebbe i n t e r e s s a n t e s t u d i a r e l a d i - pendenza del fenomeno d a l l a v a r i a b i l e temporale.

Facciamo i n o l t r e notare che n e l nostro c a s o , per una deformazione t o t a l e di 3584 AX ( 3 , 6 $ ) i 175 AX d e l l a componen t e a n e l a s t i c a incidono s u l t o t a l e per i l 4 , 9 $ e rappresentalo i l li» d e l l a parte permanente (2103+402 = 2505 AX) ma ben i l 30$ d e l l a parte r e l a t i v a a l creep secondario (402+175 = 575 AX) Dal momento che l e condizioni di sicurezza a t t u a l i impongono a l p r o g e t t i s t a di non superare l ' 1 # di deformazione pennatien t e d e l l a guaina, è evidente l ' o p p o r t u n i t à di tenere conto del suddetto fenomeno di recupero a n e l a s t i c o t u t t e l e v o l t e che questo valore l i m i t e viene raggiunto considerando i l creep secondario d e l materiale inguainante.

(28)

23

IV.2 - Creep primario

Come s i nota nel grafico di Pig. 6 il creep primario dura c i r c a 20 ore; i l valore medio d e l l a v e l o c i t à di creep s i può ricavare d a l l a Tabella 6 come rapporto t r a l a deforma ziore misurata (9.004 - 8.888 = .116 mm), prima d e l l ' a b b a s s a mento d e l l a

so (17 ore),

mento d e l l a pressione da 69 a 49 Kg/cm , ed i l tempo i n t e r c o r 2

£ = 116/17 = 6.8 ,u/h

cp /

intermedio t r a i l valore n e l l e prxmc ore (8.952 - 8.923 = 29/u in due ore) pari a 14,5 /u/h ed i l valore del creep secondario d i 1 /u/h.

IV.3 - Confronto con a l t r i r i s u l t a t i sperimentali

La v e l o c i t à di creep miaurata v a r i a da 1 a 0,5 /u/h -3 -3 -1

pari r i s p e t t i v a a e n t e a 1 10 e 0,5 10 £ h .

I l rapporto due t r a l ' i n i z i o e l a fine del creep S£

condario è a c c e t t a b i l e ; sperimentalmente sono s t a t i t r o v a t e da a l t r i , v a r i a z i o n i di rapporto 10 o più. ..el caso in esame s i sono v e r i f i c a t e variazioni di temperatura e di j r e s s i o n e durante l e 515 ore di durata d e l l ' i r r a g g i a m e n t o , e non s i può escludere che s i s i a v e r i f i c a t a una c e r t a influenza s u l l a ve l o c i t à di creep.

Trattandosi di una pro"a p a r t i c o l a r e , e f f e t t u a t a di^

rettamente sul tubo di guaina e non «u provini standard del materiale in s t u d i o , non s i è in grado di effettuare confron t i con esperienze analoghe, s i può invece paragonare i risul^

t a t i o t t e n u t i con q u e l l i di una prova effettuala, dal CEA sem

(29)

24

pre in Siloè e con un dispositivo uguale, su provino pieno 3tandard di acciaio alle seguenti condizioni (tra parentesi sono riportate le condizioni di riferimento dell'esperienza FIGA 1, per comodità di confronto): temperatura 500°C (550°C)j sollecitazione 25 Kg/mm (22,82); lunghezza 100 mm (¹00). La durata del creep primario è risultata di circa 140 ore (20) con una deformazione di 70 AX pari allo 0,07# ( - 120 ,u; 0,12$).

Il creep secondario è durato circa 2000 ore (~ 500) con una velocità di deformazione iniziale media di 100 M in 1000 ore, cioè di 0,1 • 10~ /'óAO • 10 >/h) e finale di altri 74 M nel- le 1000 ore successive, cioè di 0,07 • 10 ">/h (0,5 • 10 £/h).

La differenza non è eccessiva (rapporto 5*10 circa) tenendo conto della diversità delle temperature (pur essendo più bas sa la sollecitazione in FIGA 1) soprattutto in considerazio- ne del fatto che nelle prove di creep si riscontrano normalmen te variazioni di comportamento ancne più grosse tra provini uguali (e non come in questo case con provini di geometria differente).

('9)

La Westinghouse riporta la correlazione usata per il calcolo del creep secondario nell'analisi del comportamento della barra combustibile: i valori ricavati nelle condizioni di funzionamento del campione FIGA forniscono per il materia- le solubilizzato £\ - 0,33 • 10 "V/h e per il lavorato a freddo (20#) e = 0,09 • 10~³',v/h.

Il valore misurato nella parte finale dell'esperien za FIGA (0,5 • 10 ;°/h) è in buon accordo con quello in (9) per il solubilizzato.

(30)

25

V - CONCLUSICI

L'esperienza FIGA 1 ha f o n a t o u t i l i indicazioni s i a s u l l e p o s s i b i l i t à di u t i l i z z o del dispositivo CHOUCA e d e l l a cavità risonante per e f f e t t u a r e esperienze di creep in p i l a s i a sul comportamento del campione in s t u d i o , nonostan- t e g l i inconvenienti d e s c r i t t i nei paragrafi precedenti, r e - l a t i v i a l l ' a t t r i t o del sistema di misura ed a g l i "scrams"

del r e a t t o r e .

Per quanto riguarda i r i s u l t a t i sperimentali v e r i e propri s i può affermare che l e misure di creep d e l l ' a c c i a i o sono r i s u l t a t e in buon accordo con quanto ci s i attendeva e che a l t r e esperienze a temperatura e s o l l e c i t a z i o n e differen t i permetteranno di pararaetrizzare opportunamente l a legge f i s i c a del fenomeno permettendone uno studio più approfondi- to nonché una formulazione matematica che renda u t i l i z z a b i l i nei codici di calcolo i r i s u l t a t i sperimontali.

I l conlroi-to con i r i s u l t a t i provenienci d a l l e pro ve fuori p i l a s i a sui provini i r r a g g i a t i cue su q u e l l i non i r r a g g i a t i fornirà un quadro completo del fenomeno evidenziali do g l i e f f e t t i del flusso neutroni io s u l l e proprietà meccai i che del materiale in s t u d i o .

Anche l e misure di d i l a t a z i o n e termica sono r i s u l -

(31)

26

t a t e a f f i t t a b i l i , mentre l a misura del modulo di e l a s t i c i t à ncn s i è dimostrata r e a l i z z a b i l e , a causa d e l l a sovrapposi-

zione d e l l ' e l a s t i c i t à del sistema di misura a quella del cam pione.

Per quanto riguarda l a misura d e l l a p l a s t i c i t à (cioè d e l l a deformazione non dipendente dal tempo di applica zione d e l l a s o l l e c i t a z i o n e ) s i possono r i t e n e r e soddisfacen- t i i r i s u l t a t i o t t e n u t i , confermati del resto d a l l e misure di post-irraggiamento, nonostante l ' a t t r i t o nel sistema di misura abbia complicato l ' i n t e r p r e t a z i o n e dei d a t i , come

spiegato nei paragrafi precedenti.

A parte l e dovute correzioni a l progetto per e v i t a re g l i a t t r i t i di cui sopra, sarà bene modificare i f u t u r i d i s p o s i t i v i nel sensj di u t i l i z z a r e un sistema di misura di elongazione che preveda l a p o s s i b i l i t à di contatto del palpa t o r e sui due estremi del provino (alternativamente). In que- s t e condizioni s i avrebbe una misura di d i l a t a z i o n e effettua t a direttamente t r a g l i estremi del campione, con eliminazio ne d i t u t t i g l i inconvenienti (dal punto di v i s t a d e l l a r i l e vazione d e l l a misura, s i intende) l e g a t i a l l a e l a s t i c i t à del sistema (quindi con p o s s i b i l i t à d i misura del modulo di e l a - s t i c i t à del materiale) ed in c e r t a misura anche a l l e eventua l i variazioni di temperatura e pressione.

Si suggerisce i n o l t r e 1'applicazione di due gruppi di s o f f i e t t i a l posto d e l l ' u n i c o a t t u a l e , a l fine di r e a l i z - zare l a separazione dei s o f f i e t t i di misura (cicè utilizzati per spostare i l palpatore) da q u e l l i di trazione del provino.

E' i n f a t t i molto probabile che durante l ' e s p e r i e n z a s i debba di tanto in tanto v e r i f i c a r e i l contatto palpatore-provino,

(32)

27

o addirittura, come suggerito psr i prossimi dispositivi, si debba spostare il contatto da un estremo all'altro. In questi casi la separazione dei soffietti permetterebbe, a differen- za di quanto avvenuto in FIGA 1, di non variare la sollecita zione applicata.

(33)

P a t t I l a 1

P o r g i t o r e PL..io TUBALI Ltd.

Tipo d i a c c i a i o AILìI j1<S

Dime:.sio;.i (nrr.) 0 e u t . *,*07 ; 0 L.h. 5,cri; . ;:;1> 0 > 4 g 6

A : . a l i s i chimica (, ) G .u. 1 L; .,i CR ,;o Fé

.o.;.; i, •:<-,' .020 .012 i_,.j 17^41 2.6c r ^ t o

ls)

S t a t o d e l m a t e r i a l e c o m p l e t i v e : . t o r i c o t t o * C a r i c o d i r o t t u r a a T.A.(Lr/mm") 5f

C a r i c o d i Si.ervr.;ne..to a T.A.

Allui.ca.'nci.to r>.('5 ^ (,-) 5'.

Durezza Vicke~s (:{V/r>) 171 + 17.;

(34)

1

i

ì i

t

•t

;

Tabella II \

Campione

Provetta 1

Provetta 2

Provetta 3

i. atura del campione

Acciaio 316 L Acciaio 316 L Acciaio 316 L

Fluenza ,, 20 , 2N

(1u n/cm )

2.32

2.62

2.25

Gradiente Verticale

+ 7.7 -1C.5 + 1.5 - 1.5 + 12 -21

liote

Sollecitazione ansiale nulla Campione sollecitato assialmente Sollecitazione asBiale nulla

I

'I

1

(35)

\

31

Tabella 111

Data

29.12.72

(*)

9.1.73

(**)

10.1.73

(**)

11.1.73

(*##)

(#***. )

(°)

Ora

14 00

15 00

14 00

9 00

19 00

I

Misura (mm)

12.275 12.275 12.145 12.273 12.277 12.277 12.148 12.072 12.056 12.101 12.274 12.307 12.148 12.122 12.102 12.082 12.069 1?.059 12.059 12.067 12.080 12.097 12.124 12.305 12.105 11.933 11.734 11.677 11.592

1 JL

0 0 130 2 0 0 129 205 221 176 3 0 159 185 205 225 238 248 248 240 227 210 183 2 0 172 371 428 513

Sollecitaz.

(Kg/cm2)

66 132 207 165 66 165 198 661.4 827

198 66 50 182 397 562 727,5 893 976 860 727,5 562 397 149

—

198 198 198 198 198 198

Pressione (Kg/cm2)

2 4 6.25 5 2 5 6 20 25 6 2 1.5 5.5 12 17 22 27 29.5 26 22 17 12

4.5 0 6 6 6 6 6 6

Potenza Reattore

(m)

10 20 25 32 32

T

(°c)

38

100

(*) Prove di funzionamento (**) Prove a freddo

(***) Pre-e in pila

(*«««) Riscaldamento elettrico

(°) Dispositivo fucri pila perchè non si raggiunge la tempera- tura richiecta (550°C). Occorre cambiare il forno elettrico.

(36)

T a b e l l a IV

Lata

7.2.73 Ora

16

misura (mm)

12.380 12.377 12.240 12.206 12.202 12.198 12.195 12.193 12.191 12.181 12.171 12.156 12.123 12.097 12.091 12.093 12.103 12.128 12.141 12.151 12.157 12.166 12.174 12.177 12.182 12.214

0 3 40 174 178 182 185 187 189 199 209 224 257 283 289 287 277 252 239 229 223 214 206 203 198 166

SollecitHz.

(Kg/cm2)

33 66 99 132 165 198 232 264 297 380 462 626 959 1207 1289 1207 959 628 462 380 297 214 132 99 66 33

Pressione (Kg/cm2)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 11.5 14 19 29 36.5 39 36.5 29

19 14 11.5

9 6.5 4 3 2 1

Potenza Reattore

(MW) 0

r (°c)

38

32

(37)

* *

N — ^ * u t-«

H O

X)

re *l

a H - I »

c

P

a • - « • i -1

0)

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