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Purification du zirconium par transformation de zone
Journal of Nuclear Materials 60 (1976) 350-352 0 North-Hound abusing Company
PURIFICATION DU ZIRCONIUM PAR TRANSFORMATION
DE ZONE
Clotilde REMY et Daniel CALAIS Centre a%tuaes Nucldaires de Fontenay-aux-RosesB.P. no. 6, 92260, Fontenay-aux-Roses, France Re~u le 17 Fkri&.1976
En deplagnt lentement we zone de phase /3le long d’uo barreau de zirconium cy,P. Ailloud et J.P. Langeron [ 1] ont observe, conform~ment au diagramme d’dquilibre, une segregation des impuretes. Les auteurs souligne.nt que, dans le cas du zirconium, les impuretes diffusent plus vite en phase @,phase de haute temperature, qu’en phase LY,l’effet de partage dO au changement de phase p -+ a! se trouve ainsi amplifie. Les experiences s&antes semblent montrer que le caractere martensitique de la tr~sformation /3+ cr du zirconium, pourrait etre egalement un facteur t&s favorable 1 la segregation des impuretes au tours de la transformation. Err effet les examens ~crograp~ques d’alliages Zr-Pu I 3 et 0,3% en poids de plutonium recuits 1 9OO’Cet trempes 1 l’air ont revelB une structure a
Fig. 1. Micrographic et autoradiographie et trempb g I’air.
correspondante
aiguilles, du type decrit par Burgers [2], due a la transformation allotropique fl-+ (Ydu zirconium. Ces aiguilles pr~sentent toutes une orientation p~f~rentj~~e 5 l’intdrieur de chacun des anciens grains p (fig. 1 et 2). L’autoradiographie ar de l’alliage a 0,3% en poids de plutonium (fig. 1) montre que dune aiguille ri I’autre la teneur en plutonium varie considerablement . L’autoradiographie OLde l’alliage le plus charge (3% en poids de Pu, fig. 2) montre des lignes blanches qui dessinent les anciens joints de grams de la phase 6. La transformation @+ cydebute I ces joints qui s’appauvrissent en plutonium, celui-ci &ant moms soluble en phase (Yqu’en phase /_?[3]. Contrairement a l’alliage a 0,3%, la ~ncentration semble homog~ne 1 l’int&ieur des grains 0, la structure aciculaire &ant trop fine pour dtre revelee par la methode autoradiographique, mais
d’un alliage Zr-PIJ i 0,3X en poids de plutonium recuit 100 heures d 900°C
350
C. Re’my, D. C&is /Purification
Fig. 2. Micrographic et trempe i l’air.
et autoradiographie
correspondante
du zirconium par transformation de zone
d’un alliage Zr-Pu g 3% en poids de plutonium recuit 100 heures i 900°C
par microanalyse X nous avons pu mettre en Cvidence des variations de concentration trbs importantes (dans le rapport de 1 g 10). (fig. 3).
La transformation p--f (Ys’accompagne done d’une migration macroscopique des atomes de plutonium qui se ripartissent pkfkrentiellement dans certaines aiguilles. Compte tenu de la largeur de ces aiguilles (80 1-1environ), et des valeurs des coefficients de diffusion des atomes de plutonium mesurks en phase 0 (8 X lo-lo cm2 s-l) a 900°C [4], le dt5placement des atomes de plutonium ne peut s’expliquer par un mkanisme de diffusion purement thermique. En effet le temps nkessaire A un atome de plutonium pour se dkplacer d’une longueur h (largeur d’une aiguille =2h=80 pm) est de l’ordre de: t = ??/w
iiige Fig. 3.
Zr
Pu 3%
h-em+
Microanalyse X = enregistrement de la teneur en pluto-
nium d’un mdme a&age.
351
)
soit 166 mm h 900°C ,
tout A fait prohibitif, bien que la transformation fl+ (Y du zirconium soit relativement lente [ 51. Des phknomtnes analogues ont dt5jACtB signal& dans le cas du titane par De KBroulas sur des alliages Ti-U 5 faible concentration en uranium [6] et par Peart sur des a&ages Ti-Fe 1 faible concentration en fer [7]. La diffusion tr&s rapide des impure& dans ces m&aux h transformation de type martensitique peut s’expliquer de la mani&e suivante. La force thermodynamique due au coefficient de partage du plutonium entre les deux phases am&ne le front de transformation A entrainer les atomes de plutonium dans la phase /3. L’augmentation de la vitesse de migration des atomes
352
C. Rhny,
D. Cplais /Purification
du zirconium par transformation
perpendiculairement au front wait due comme le propose De Kdroulas [6,8] a une sursaturation de defauts fournis par la transformation martensitique. Le coefficient de diffusion des atomes de plutonium au voisinage du plan de transformation seraint ainsi de plusieurs ordres de grandeur, superieur au coefficient de diffusion peurment thermique. 11en resulte pour les atomes de plutonium une vitesse de diffusion Cgalea la vitesse de propagation du front; celui-ci entraine avec lui les atomes de plutonium creant ainsi les segregations obse&es. L’augmentation de la vitesse de diffusion des atomes pour les metaux a transformation allotropique de type martensitique pourrait done ameliorer notablement leur purification par transformation de zone.
de zone
References [l] [2] [3] [4]
P. Ailloud et J.P. Langeron, J. Nucl. Mat. 23 (1968) 69. W. Burgers, Physica 1 (1964) 561. J.A.C. Marples, J. Less Common Metals (1960) 331. C. Remy, These Faculte d’orsay (1968) Rapport CEA R. 3573 (51 G. Cizeron et P. Lacombe, Mem. Sent. Rev. metal. 57 (1960) 179. [6] F. De Keroulas, These Faculte d’Orsay (1967), Rapport CEA R. 3253. [7] R.F. Peart and D.M. Tomlin, Acta Met. 10 (1962) 123. [8] F. De Keroulas, J. Mory et Y. Quere, J. Nucl. Mat. 22 (1967) 276.
PURIFICATION DU ZIRCONIUM PAR TRANSFORMATION
DE ZONE
Clotilde REMY et Daniel CALAIS Centre a%tuaes Nucldaires de Fontenay-aux-RosesB.P. no. 6, 92260, Fontenay-aux-Roses, France Re~u le 17 Fkri&.1976
En deplagnt lentement we zone de phase /3le long d’uo barreau de zirconium cy,P. Ailloud et J.P. Langeron [ 1] ont observe, conform~ment au diagramme d’dquilibre, une segregation des impuretes. Les auteurs souligne.nt que, dans le cas du zirconium, les impuretes diffusent plus vite en phase @,phase de haute temperature, qu’en phase LY,l’effet de partage dO au changement de phase p -+ a! se trouve ainsi amplifie. Les experiences s&antes semblent montrer que le caractere martensitique de la tr~sformation /3+ cr du zirconium, pourrait etre egalement un facteur t&s favorable 1 la segregation des impuretes au tours de la transformation. Err effet les examens ~crograp~ques d’alliages Zr-Pu I 3 et 0,3% en poids de plutonium recuits 1 9OO’Cet trempes 1 l’air ont revelB une structure a
Fig. 1. Micrographic et autoradiographie et trempb g I’air.
correspondante
aiguilles, du type decrit par Burgers [2], due a la transformation allotropique fl-+ (Ydu zirconium. Ces aiguilles pr~sentent toutes une orientation p~f~rentj~~e 5 l’intdrieur de chacun des anciens grains p (fig. 1 et 2). L’autoradiographie ar de l’alliage a 0,3% en poids de plutonium (fig. 1) montre que dune aiguille ri I’autre la teneur en plutonium varie considerablement . L’autoradiographie OLde l’alliage le plus charge (3% en poids de Pu, fig. 2) montre des lignes blanches qui dessinent les anciens joints de grams de la phase 6. La transformation @+ cydebute I ces joints qui s’appauvrissent en plutonium, celui-ci &ant moms soluble en phase (Yqu’en phase /_?[3]. Contrairement a l’alliage a 0,3%, la ~ncentration semble homog~ne 1 l’int&ieur des grains 0, la structure aciculaire &ant trop fine pour dtre revelee par la methode autoradiographique, mais
d’un alliage Zr-PIJ i 0,3X en poids de plutonium recuit 100 heures d 900°C
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C. Re’my, D. C&is /Purification
Fig. 2. Micrographic et trempe i l’air.
et autoradiographie
correspondante
du zirconium par transformation de zone
d’un alliage Zr-Pu g 3% en poids de plutonium recuit 100 heures i 900°C
par microanalyse X nous avons pu mettre en Cvidence des variations de concentration trbs importantes (dans le rapport de 1 g 10). (fig. 3).
La transformation p--f (Ys’accompagne done d’une migration macroscopique des atomes de plutonium qui se ripartissent pkfkrentiellement dans certaines aiguilles. Compte tenu de la largeur de ces aiguilles (80 1-1environ), et des valeurs des coefficients de diffusion des atomes de plutonium mesurks en phase 0 (8 X lo-lo cm2 s-l) a 900°C [4], le dt5placement des atomes de plutonium ne peut s’expliquer par un mkanisme de diffusion purement thermique. En effet le temps nkessaire A un atome de plutonium pour se dkplacer d’une longueur h (largeur d’une aiguille =2h=80 pm) est de l’ordre de: t = ??/w
iiige Fig. 3.
Zr
Pu 3%
h-em+
Microanalyse X = enregistrement de la teneur en pluto-
nium d’un mdme a&age.
351
)
soit 166 mm h 900°C ,
tout A fait prohibitif, bien que la transformation fl+ (Y du zirconium soit relativement lente [ 51. Des phknomtnes analogues ont dt5jACtB signal& dans le cas du titane par De KBroulas sur des alliages Ti-U 5 faible concentration en uranium [6] et par Peart sur des a&ages Ti-Fe 1 faible concentration en fer [7]. La diffusion tr&s rapide des impure& dans ces m&aux h transformation de type martensitique peut s’expliquer de la mani&e suivante. La force thermodynamique due au coefficient de partage du plutonium entre les deux phases am&ne le front de transformation A entrainer les atomes de plutonium dans la phase /3. L’augmentation de la vitesse de migration des atomes
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C. Rhny,
D. Cplais /Purification
du zirconium par transformation
perpendiculairement au front wait due comme le propose De Kdroulas [6,8] a une sursaturation de defauts fournis par la transformation martensitique. Le coefficient de diffusion des atomes de plutonium au voisinage du plan de transformation seraint ainsi de plusieurs ordres de grandeur, superieur au coefficient de diffusion peurment thermique. 11en resulte pour les atomes de plutonium une vitesse de diffusion Cgalea la vitesse de propagation du front; celui-ci entraine avec lui les atomes de plutonium creant ainsi les segregations obse&es. L’augmentation de la vitesse de diffusion des atomes pour les metaux a transformation allotropique de type martensitique pourrait done ameliorer notablement leur purification par transformation de zone.
de zone
References [l] [2] [3] [4]
P. Ailloud et J.P. Langeron, J. Nucl. Mat. 23 (1968) 69. W. Burgers, Physica 1 (1964) 561. J.A.C. Marples, J. Less Common Metals (1960) 331. C. Remy, These Faculte d’orsay (1968) Rapport CEA R. 3573 (51 G. Cizeron et P. Lacombe, Mem. Sent. Rev. metal. 57 (1960) 179. [6] F. De Keroulas, These Faculte d’Orsay (1967), Rapport CEA R. 3253. [7] R.F. Peart and D.M. Tomlin, Acta Met. 10 (1962) 123. [8] F. De Keroulas, J. Mory et Y. Quere, J. Nucl. Mat. 22 (1967) 276.