Cr coatings deposited by electroplating and magnetron sputtering onto Zr-Nb alloys for nuclear reactor claddings for protection against high-temperature corrosion

The growth in electricity demand and in the consumption rate of fossil fuels, together with the need of managing atmospheric greenhouse gas emissions, drive for a more environmentally sustainable electricity generation. Nuclear energy is an alternative to fossil fuels. The materials in the reactor core are exposed to an aggressive environment, due to thermo-mechanical and radiation fields, and chemically aggressive coolant. Nuclear fuel claddings are one of the most important components for fuel integrity and safety. The use of Zr alloys as fuel claddings is due to their low thermal neutron absorption cross-section, reasonable corrosion performance under normal operation, and good mechanical properties under neutron irradiation. Zr alloys claddings are subjected to severe corrosion if exposed to high-temperature steam. This is a very important problem, which strongly affects the safety of a nuclear plant. Possible solutions could come by modifying the fuel (microencapsulated in a non-fissionable ceramic matrix), by using either protective coatings on Zr alloy claddings, or claddings made in different materials (such as FeCrAl or SiC). The coated claddings are the most promising alternative as they could be a short-term solution since no fuel enrichment is needed (like for ferrous claddings). They could improve the performance of a plant, under accident and normal conditions. This technical solution could increase the efficiency of nuclear plants, making them more competitive in the field of production of electrical energy. Protection capability of Cr coatings onto Zr-1Nb, deposited by electroplating and magnetron sputtering, will be analyzed in this work. The influence of the thickness of Cr coatings will be examined. Oxidation tests (in atmosphere and LOCA condition) will be carried out and the samples will be analyzed by XRD, SEM, optical microscopy and GDOES to check the crystallographic structure, the microstructure and elemental depth profile of the coatings. Moreover, gravimetric tests will be done to evaluate the oxidation protection of the deposited Cr.

La crescita della domanda di elettricità e del tasso di consumo di combustibili fossili, con la necessità di gestione di gas serra, portano ad una richiesta di generazione di elettricità più sostenibile dal punto di vista ambientale. L'energia nucleare è un'alternativa ai combustibili fossili. I materiali nel nocciolo del reattore sono esposti a un ambiente aggressivo a causa di campi termomeccanici e di radiazione e refrigerante chimicamente aggressivo. I rivestimenti del combustibile nucleare sono uno dei componenti più importanti per l'integrità e la sicurezza del combustibile. L'uso di leghe di Zr per i claddings è dovuto alla loro sezione trasversale a basso assorbimento di neutroni termici, a ragionevoli prestazioni di corrosione durante il normale funzionamento e buone proprietà meccaniche sotto irradiazione di neutroni. I rivestimenti in leghe di Zr soffrono grave corrosione se esposti a vapore ad alta temperatura. Questo è un problema molto importante, che influisce sulla sicurezza di una centrale nucleare. Le possibili soluzioni potrebbero essere la modifica del combustibile, l’utilizzo di rivestimenti protettivi sui claddings in lega di Zr o la loro realizzazione in materiali diversi. I claddings rivestiti sono l'alternativa più promettente, in quanto potrebbero essere una soluzione a breve termine poiché non è necessario alcun arricchimento del combustibile. Potrebbero migliorare le prestazioni di un impianto, in caso di incidente che in condizioni normali. Questa soluzione potrebbe aumentare l'efficienza delle centrali nucleari, rendendole più competitive nel campo della produzione di energia elettrica. In questo lavoro verrà analizzata la capacità di protezione di rivestimenti in Cr su Zr-1Nb, depositati per elettrodeposizione e magnetron sputtering. Verrà esaminata l'influenza dello spessore di Cr. Verranno effettuati test di ossidazione (in atmosfera e LOCA) e i campioni saranno analizzati mediante XRD, SEM, microscopia ottica e GDOES per verificare la struttura cristallografica, microstruttura e profilo elementare. Inoltre, saranno effettuati test gravimetrici per valutare la protezione dall'ossidazione del Cr depositato.