Fabricación de carburo de silicio poroso con capa densa para su aplicación en inserciones aislantes en canal para futuros reactores de fusión nuclear.
Palabras clave : 
Corrosión por Pb-15.7Li.
Conductividad térmica.
Blanket Dual Coolant Lithium Lead.
Flow Channel Inserts.
SiC poroso.
Fecha de publicación: 
2014
Fecha de la defensa: 
28-nov-2014
Editorial : 
Servicio de Publicaciones. Universidad de Navarra.
Cita: 
BERECIARTU, Ainhoa ""Fabricación de carburo de silicio poroso con capa densa para su aplicación en inserciones aislantes en canal para futuros reactores de fusión nuclear"".Garcia-Rosales, C. y Ordas, N. Tesis doctoral. Universidad de Navarra, 2014
Resumen
Within the project TECNO_FUS on CONSOLIDER- INGENIO 2010 program, a dual coolant blanket design is developing (DCLL = Dual Coolant Lithium Lead) for DEMO with Pb-15.7Li and He as coolant. It is a ferritic-martensitic steel with low activation as structural metrial cooled by He. The Pb-15.7Li acts as tritium breeder, neutron multiplier and coolant. The Pb-15.7Li outlet temperature has been as high as possible to achieve the highest possible efficiency, without exceeding the maximum temperature of steel. Due to the high magnetic fields produced in the region of the blanket, the Pb-15.7Li needs to be electrically insulated from the steel to reduce the magnetohydrodynamic pressure drop (MHD). Also, it should be thermially insulated from stell to avoid heat loss. This is one of the main functions of the Flow Channel Iserts (FCI), which also act as thermal insulator to maximize the Pb-15.7Li temperature, and thus, the efficiency. Silicon carbide is the main candidate material for FCI in the DLL blanket, due to its excellent thermal, mechanical and chemical stability at high temperatures, low thermal expansion, good thermal shock resistance, low corrosion by Pb-15.7Li, low activation and good resistance to neutron irradiation, low activation and good resistance to neutron irradiation. Porous SiC is one of the most attractive types of SiC under consideration, since it is expected to achieve the required properties following a simple and inexpensive manufacturing route compared to SiCf/SiC materials. To avoid tritium permeation and corrosion by Pb-15.7Li, a dense coating must be applied on the porous SiC surface. In this work the results obtained in the production of porous SiC powder metallurgical route by pressureless sintering are presented. For the manufacture of porous SiC different particle size starting SiC and carbonaceous powders, with and without additives, have been used. A study on liquid phase sintering by varying sintering temperature and time is performed. Carbonaceus powders are used as poreformers by their burnout during oxidation after sintering. A study on the effect of different processing parameters on final relevant properties of porous SiC has been carried out and the two most promising porous SiC materials were selected on the basis of lowest thermal conductivity (11-13 W/mK a 700 °C) and highest flexural strength (100-140 MPa). The two selected materials are coated with a 30 μm thick CVD SiC layer. Electrical conductivity was measured at CIEMAT before and after irradiation in a Van de Graaff accelerator with 1.8 MeV electrons up to 130 MGy, and values < 20 S/m at 400°C are obtained. Corrosion tests under static Pb-15.7Li are conducted at 700C during 1032 houers under 99% Ar + 1% H2 atmosphere at IQS; even though the used Pb-17.5Li has very high O content, the 30 μm CVD SiC layer provide partial protection against corrosion.
Dentro del proyecto TECNO_FUS del programa CONSOLIDER-INGENIO 2010 se ha desarrollado un modelo de blanket con doble refrigerante (DCLL = Dual Coolant Lithium Lead) para DEMO: Pb-15.7Li y He. Se propone como material estructural un acero ferrítico-martensítico de baja activación refrigerado con He. El Pb-15.7Li actuará como regenerador de tritio, multiplicador de neutrones y refrigerante. La temperatura de salida del Pb-15.7Li tiene que ser lo más alta posible para obtener la mayor eficiencia posible, sin sobrepasar la temperatura máxima del acero. Debido al alto campos magnético toridal presente en la región del blanket, el Pb-15.7Li necesita ser aislado eléctricamente de la pared de acero para reducir la caída de presión magnetohidrodinámica (MHD) que se produce en el metal líquido. Además, es preciso aislar térmicamente el Pb-15.7Li de la pared de acero para evitar pérdidas de calor. Esta es una de las principales funciones de los Flow Channel Iserts (FCI), que actúan además como aislantes térmicos para maximizar la temperatura del Pb- 15.7Li, y con ello la eficiencia. El carburo de silicio (SiC) es el material más indicado para su aplicación en los FCI para el concepto de blanket DCLL. Esto es debido a su excelente estabilidad térmica, mecánica y química a altas temperaturas, baja expansión térmica y buena resistencia al choque térmico. Se espera que la corrosión del SiC con Pb-15.7Li a la temperatura de operación sea baja y, además, el SiC es un material de baja activación con buena resistencia a la irradiación de neutrones. El SiC poroso posee una conductividad eléctrica y térmica relativamente baja, dependiendo del grado de porosidad, y su ruta de procesamiento es mucho menos costosa que los materiales compuestos SiCf/SiC. Se precisa, sin embargo, depositar un recubrimiento de SiC denso sobre el SiC poroso para evitar la permeación del tritio regenerado en el Pb-15.7Li. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en la producción de SiC poroso mediante la ruta pulvimetalúrgica por sinterización sin presión. Para la fabricación de SiC poroso se han empleado polvos de partida de SiC y de fase carbonosa de distintos tamaño de partícula, con y sin aditivos. Se ha realizado un estudio de sinterización en fase líquida variando la temperatura y tiempo de sinterización. Tras la sinterización se ha realizado una oxidación en aire para eliminar la fase carbonosa y generar así la porosidad requerida. Se ha estudiado el efecto que tienen los distintos parámetros de procesamiento sobre las propiedades finales del SiC poroso y se han seleccionado los dos sistemas más prometedores en base a su baja conductividad térmica (11-13 W/mK a 700 °C) y alta resistencia a flexión (100-140 MPa). Los dos materialess seleccionados se han recubierto por CVD con una capa densa de SiC de 30 μm. Se han realizado medidas de conductividad eléctrica en el CIEMAT antes y después de irradiar con 1.8 MeV hasta 130 MGy en un acelerador Van de Graaff en los que han obtenido valores < 20 S/m a 400 °C. Finalmente se han realizado ensayos de corroisión en Pb-15.7Li a 700 °C durante 1032 horas en atmósfera de 99% Ar + 1% H2 en el IQS. A pesar de que el Pb-15.7Li tenía un alto contenido de O, la capa de SiC ha proporcionado una protección razonable frente a la corrosión.

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