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Studio della interazione acciaio-idrogeno nell’ambito di impianti energetici avanzati

Informazioni tesi

  Autore: Gianluca De Colli
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2001-02
  Università: Università degli Studi di Roma La Sapienza
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Chimica
  Relatore: Adelina Maria teresa Borruto
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 208

L’impiantistica energetica è tra i campi applicativi più difficili per i materiali strutturali. Le sollecitazioni, di qualsiasi natura (termica, meccanica) e l’ambiente di lavoro delle strutture, costituiscono un inviluppo operativo estremamente severo.
La ricerca di prestazioni sempre più spinte delle macchine o le particolari condizioni di lavoro delle strutture “calde” di una macchina nucleare restringono la scelta dei materiali strutturali a leghe che presentino nel contempo elevate caratteristiche meccaniche a caldo, buona resistenza ambientale unite, per l’impiego in campo nucleare, ad elevata stabilità strutturale nelle condizioni di esercizio.
E’ stato studiato l’acciaio l’F82H (derivante dalla colata N° 42W-19), un ferritico a struttura fine, messo appunto in Giappone in base ad un programma europeo di sviluppo di materiali in campo nucleare, e fornitoci dall’Enea.
Questo materiale è stato progettato per costituire la prima parete di macchine nucleari a fusione; possiede gran parte delle caratteristiche necessarie a tale impiego, come:

• grande stabilità strutturale sotto irraggiamento, perchè dotato di un’eccellente resistenza allo “swelling”;
• caratteristiche meccaniche che presentano il giusto compromesso tra resistenza a medio e breve termine (trazione, creep, fatica termica, e proprietà di resistenza all’urto);
• bassa attivazione per la sostituzione di elementi fortemente indesiderabili quali Mo, Nb, Ni, con Ti, Ta, W, che danno effetto indurente per la formazione di carburi del tipo M23C6, M6C, M2C e MC.

Lo scopo della presente tesi è di determinare il comportamento del materiale in presenza dell’idrogeno.
Questo lavoro è stato realizzato usando 4 diverse metodologie sperimentali:
• frattura prematurata (con analisi dei diagrammi di trazione);
• misura del contenuto di idrogeno;
• analisi frattografica (SEM);
• analisi di microscopia elettronica in trasmissione (TEM).

Sono stati esaminati numerosi campioni.
Si è ottenuta un’ottima congruenza dei dati, che hanno dimostrato come questa lega non sia adatta per frenare la fragilizzazione da idrogeno.
La fase carburo, che ha lo scopo di conferire durezza al materiale e nello stesso tempo di sottrarre il carbonio che potrebbe dar luogo alla formazione di metano (CH4) con conseguente formazione di blistering , in realtà funge da trappola alta-energetica per l’idrogeno e quindi da innesco.

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Introduzione Lo sviluppo della tecnologia della fusione, dalla quale ottenere un fonte di energia alternativa, è un obiettivo a lungo termine della Comunità Europea. Tale sviluppo prevede la costruzione di un reattore sperimentale (NET) e di un reattore dimostrativo (DEMO), basati sul confinamento magnetico di un plasma di deuterio e trizio (reattore Tokamak). Le condizioni di esercizio del reattore sono tali da deteriorare le proprietà chimico-fisiche dei materiali, limitando la durata di vita dei vari componenti del reattore. I tipi di interazione plasma-materiali: flusso neutronico, che provoca riscaldamento, formazione di elio, idrogeno e nuovi nuclei instabili (radioattivi), oltre a danneggiare la microstruttura del materiale; radiazioni elettromagnetiche, che vengono assorbite sulla superficie del materiale provocando l’innalzamento della temperatura e creando così un gradiente termico che determina sollecitazioni meccaniche ; particelle neutre, dotate di elevata energia cinetica, e che non risentendo del campo magnetico in cui è confinato il plasma, raggiungono la prima parete dando luogo ad erosione; instabilità distruttive, in certe condizioni di funzionamento il confinamento magnetico del plasma può venire a mancare, il plasma può così venire a contatto con la “prima parete”. Le conseguenze sono assottigliamento, cricche e modificazioni strutturali. Gli effetti di queste interazioni sul comportamento dei materiali sono più evidenti sulle strutture a ridosso del plasma, come appunto la “prima parete”. Numerosi studi e ricerche sono stati effettuati in vari laboratori (Europa, USA, e Giappone principalmente) in relazione allo sviluppo ed alla caratterizzazione dei

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