Title

ESTABILIDADE DA FASE GAMA EM LIGAS DO SISTEMA U-NB-ZR

GAMMA PHASE STABILITY IN ALLOYS OF THE U-NB-ZR SYSTEM

Authorship

Lopes, Denise Adorno; Padilha, Angelo Fernando

Lopes, Denise Adorno

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Padilha, Angelo Fernando

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DOI

10.5151/2594-5300-20266

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Abstract

Os combustíveis nucleares metálicos são atualmente uma alternativa aos cerâmicos, pois se procura diminuir o enriquecimento isotópico do urânio. Ligas metálicas permitem alcançar uma maior quantidade de urânio por unidade de volume, assim como uma melhor condutividade térmica, possibilitando a utilização em reatores nucleares de potência. As ligas do sistema U-Nb-Zr estão entre as mais promissoras para a fabricação de elementos combustíveis tipo placa, pois apresentam ampla região de fase gama (γ), de estrutura CCC. Entretanto, a fase γ pode, durante a exposição em altas temperaturas ou durante o resfriamento, sofrer transformações de fase por mecanismos de nucleação e crescimento (envolvendo difusão) ou martensíticos. O objetivo deste trabalho é avaliar a possibilidade de retenção da fase γ, na temperatura ambiente por meio de tratamentos térmicos seguidos de têmpera. Amostras com diversas composições foram fundidas em forno a plasma com eletrodo não consumível de tungstênio, em coquilha de cobre e atmosfera de argônio. As microestruturas das amostras foram caracterizadas com auxílio de microscopia óptica, difração de raios X e medidas de dureza Vickers. A partir dos resultados obtidos, determinou-se uma região de composições em que é possível reter na temperatura ambiente uma fase martensítica, com estrutura semelhante à da fase γ e relativamente dúctil, permitindo conformação mecânica a frio, o que tem significativo interesse tecnológico.

Metallic nuclear fuel is considered currently as an alternative to ceramics fuel, as it seeks to lessen the isotopic uranium enrichment. Metallic alloys make possible achieving higher amount of uranium per unit volume, even as better thermal conductivity, making also possible their use in nuclear power reactors. The U-Nb-Zr alloys are amongst the most promising systems for the fabrication of plate-type fuel elements, since this system shows a broad gamma (γ) phase field presenting BCC crystal structure. However, the γ phase can, during exposure at high temperatures or during cooling, undergo phase transformations by nucleation and growth (involving diffusion) or martensitic mechanisms. The aim of this study is to evaluate the possibility of retaining the γ phase at room temperature after isothermal heat treatments followed by quenching. Alloys of four different chemical compositions were melted in copper crucible using a plasma furnace with a non-consumable electrode under argon atmosphere. The alloys microstructures were characterized using optical microscopy, X-ray diffraction analysis and Vickers hardness measurements. A composition field was determined wherein the alloys can retain a martensitic phase at room temperature, similar to the gamma (γ) phase, being relatively ductile, allowing cold forming, hence presenting significant technological interest.

Keywords

Urânio metálico; Ligas U-Nb-Zr; Transformações de fase; Fase gama.

Metallic uranium; U-Nb-Zr alloys; Phase transformations; Gamma phase.