Aspectos Tecnológicos Relacionados a los Procedimientos de

Transcripción

Simposio LAS/ANS 2007 / 2007 LAS/ANS Symposium
XVIII Congreso Anual de la SNM / XVIII SNM Annual Meeting
XXV Reunión Anual de la SMSR / XXV SMSR Annual Meeting
Copatrocinado por la AMEE / Co-sponsored by AMEE
Cancún, Quintana Roo, MÉXICO, del 1 al 5 de Julio 2007 / Cancun, Quintana Roo, MEXICO, July 1-5, 2007
Aspectos Tecnológicos Relacionados a los Procedimientos de Fabricación del
Combustíble UO2-Gd2O3
Michelangelo Durazzo
Centro do Combustível Nuclear, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – IPEN
Buzón 11049, Pinheiros 05499, São Paulo, Brasil
[email protected]
Humberto Gracher Riella
Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal de Santa Catarina
Florianópolis, Brasil
[email protected]
Resumen
La incorporación del polvo de Gd2O3 directamente en el polvo de UO2 por mezcla
mecánica a seco es el proceso más atrayente para la producción del combustible nuclear
UO2-Gd2O3. Sin embargo, nuestros resultados experimentales obtenidos previamente
indicaran que la formación de poros debido al efecto Kirkendall retrasa la densificación y,
consecuentemente, disminui la densidad final de ese tipo de combustible nuclear.
Considerando ese mecanismo como lo responsable por el mal comportamiento de la
sinterización del combustible UO2-Gd2O3 preparado por el método de mezcla mecánica,
fue posible proponer, discutir y, en algunos casos, probar preliminarmente, posibles
ajustes en los procedimientos de fabricación que podrían minimizar, o mismo compensar
totalmente, los efectos negativos de la formación de poros debido al efecto Kirkendall.
Este trabajo presenta esas consideraciones.
1. INTRODUCCIÓN
El uso de venenos quemables en reactores nucleares de potencia de agua presurizada, tipo PWR,
posibilita ciclos de quema más largos y altas quemas, razón por la cual su uso en los reactores
modernos se tiene convertido case que una imposición. El Gd2O3 es un veneno quemable
adecuado para uso en los modernos reactores PWR, una vez que la quema de ese absorbedor
acompaña de cerca la quema del combustible, minimizando los efectos negativos de su presencia
en el final del ciclo de quema. Este tipo de combustible está siendo planeado para ser implantado
en Brasil por la INB (Indústrias Nucleares do Brasil).
El proceso más atrayente tecnológicamente para la incorporación del gadolinio en el combustible
tradicional UO2 es la mezcla mecánica a seco de los polvos de Gd2O3 y UO2, debido a su
simplicidad. Las buenas características físicas del polvo de UO2 derivado del TCAU [1] permiten
que este proceso sea aplicado en la fabricación del combustible UO2-Gd2O3 cuando este es el
Memorias CIC Cancún 2007 en CDROM
468
Proceedings IJM Cancun 2007 on CDROM
Michelangelo Durazzo et al, Aspectos Tecnológicos Relacionados a los Procedimientos de Fabricación del Combustible UO2-Gd2O3
polvo utilizado. En este proceso el polvo de Gd2O3 es incorporado directamente en el polvo de
UO2 y homogenizado sin la necesidad de etapas adicionales de molinillo, precompactación y
granulación, las cuales son necesarias cuando el polvo de UO2 es derivado de otros procesos de
conversión del UF6 [2].
Sin embargo, la incorporación del polvo de Gd2O3 al polvo de UO2 oriundo de la ruta del TCAU
por lo atractivo método de mezcla mecánica conduce a dificultades para se obtener pastillas
sinterizadas de UO2-Gd2O3 con la mínima densidad especificada [3,4], debido al efecto
prejudicial del Gd2O3 en el comportamiento de la sinterización del UO2 tradicional [3]. Ese mal
comportamiento de la sinterización fue confirmado experimentalmente en nuestros trabajos
previos [5,6].
Como la tecnología del TCAU ya está implantada en la INB, el método para la preparación de las
pastillas UO2-Gd2O3 será la mezcla mecánica a seco. Así, fue iniciado un programa de
investigación con el objetivo de determinar las posibles causas que podrían explicar el mal
comportamiento de la sinterización del combustible UO2-Gd2O3 preparado según el método de
mezcla mecánica a seco.
En la primera parte de este programa [5], fue estudiado un mecanismo de bloqueo de la
sinterización basado en la formación de fases (U,Gd)O2 ricas en Gd con baja difusividad, las
cuales podrían actuar como barrera de difusión durante el proceso de sinterización. Esta hipótesis
no fue confirmada por los resultados experimentales.
En la segunda parte, el programa de investigación fue continuado y una otra hipótesis fue
investigada, la cual es basada en la formación de poros estables durante la formación de la
solución sólida, simultáneamente con el proceso de sinterización. Esa hipótesis fue confirmada
experimentalmente [6]. Se quedó demostrado que el mecanismo de bloqueo de la sinterización
está basado en la formación de poros debido a la ocurrencia del efecto Kirkendall. El gadolinio
proveniente de aglomerados de Gd2O3 se difunde preferencialmente en dirección al UO2. La
matriz de UO2 se expande para acomodar los cationes de gadolinio y un poro es generado en el
local del aglomerado original del Gd2O3. De esta forma, la solubilización del Gd2O3 en la matriz
de UO2 para la formación de la solución sólida (U,Gd)O2 durante el ciclo intermediario de
sinterización (al rededor de 1100 ºC) lleva a la formación de poros, cuya remoción, en el ciclo
final de sinterización, es difícil.
Una vez conocido el mecanismo que explica la insuficiente densificación del combustible UO2Gd2O3 durante el proceso de sinterización, es posible proponer acciones que puedan minimizar al
eliminar el problema. Algunas de ellas fueran propuestas con base en resultados experimentales
obtenidos en este trabajo, los cuales también fortifican la sustentación del mecanismo propuesto
en nuestro trabajo previo [6], basado en la formación de poros estables debido al efecto
Kirkendall.
La solución tecnológica adoptada industrialmente para el problema de la sinterización del
combustible UO2-Gd2O3 fue la incorporación de aluminio al polvo de UO2 (derivado del TCAU)
en la forma de Al(OH)3. El aluminio es incorporado en la etapa de homogenización en
concentraciones variando de 5 a 500 ppm, la cual depende de la concentración de gadolinio en el
combustible [4]. Con la ampliación del conocimiento del proceso de sinterización del
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Congreso Internacional Conjunto Cancún 2007 / International Joint Meeting Cancun 2007
combustible UO2-Gd2O3, proporcionado por las conclusiones de nuestros trabajos previos, otras
acciones de carácter tecnológico pueden ser propuestas, las cuales son basadas en modificaciones
de algunos procedimientos de fabricación, tales como:
a) optimización del ciclo de sinterización por el ajuste de la tasa de calefacción y de la
temperatura y tiempo de permanencia en la etapa isotérmica de la sinterización;
b) optimización de la actividad del polvo de UO2 usado en la preparación del polvo mixto UO2Gd2O3 por el método de mezcla mecánica a seco, la cual puede ser realizada por el ajuste de las
condiciones de reducción del TCAU;
c) ajuste en el procedimiento de homogenización de los polvos de UO2 y Gd2O3 con el objetivo
de se obtener una mezcla con alto nivel de homogeneidad (nivel microscópico, por lo menos) [7].
A continuación está discutida cada una de las acciones, enumeradas arriba, propuestas buscando
la solución tecnológica para el problema de la sinterización del combustible UO2-Gd2O3.
2. AJUSTE DEL CICLO DE SINTERIZACIÓN
La formación de poros que acompaña la formación de la solución sólida, debida a la ocurrencia
del efecto Kirkendall, según los resultados obtenidos en nuestros trabajo previo [6], empieza a
acontecer arriba de 1000 °C, durante el segundo ciclo de la sinterización, cuando el proceso de
densificación ya está iniciado, y termina al rededor de 1350 °C, cuando el proceso de
densificación de la matriz de UO2 ya está bastante adelantado y la tasa de densificación está en
declino. En estas condiciones, los poros formados son de difícil eliminación, principalmente se el
nivel de homogeneidad en la distribución del Gd2O3 es macroscópico [7], donde están presentes
aglomerados de grande diámetro.
La primera posibilidad para actuación en el proceso seria la anticipación de la formación de la
solución sólida, o sea, actuar en la formación de poros de manera que ella ocurra en menores
temperaturas, antes del inicio del segundo ciclo de la sinterización y de la densificación. De esa
forma los poros derivados del efecto Kirkendall serian formados en una estructura de poros
abierta y podrían ser más fácilmente eliminados. En esta línea, fueran realizados tratamientos
isotérmicos a 800 °C y 1200 °C, por 4 y 12 horas, durante la calefacción en la sinterización. El
objetivo fue completar la reacción en el estado sólido en la temperatura la más baja posible, se
formando los poros decursos del efecto Kirkendall en una estructura de poros la más abierta
posible. En estos testes fueran utilizados los mismos polvos de UO2 y Gd2O3 y los mismos
procedimientos de homogenización describidlos en trabajos anteriores [7,8]. En las etapas de
calefacción fue mantenida la tasa de 5 °C/min y la atmósfera fue H2 puro. Los resultados están
presentados en la figura 1. Se observa en esa figura que todos los tratamientos térmicos aplicados
se mostraran ineficaces, resultando en niveles de densificación muy cercanos del nivel obtenido
en el ciclo de sinterización sin la aplicación del tratamiento térmico. Los tratamientos térmicos a
800 °C no impedirán la formación de poros debido al efecto Kirkendall, una vez que la forma de
las curvas de sinterización no fue alterada, demostrando que esta temperatura es muy baja para
que ocurra la formación de la solución sólida, mismo se aplicando prolongados tiempos de
tratamiento térmico. El tratamiento térmico a 1200 °C también se mostró ineficaz, una vez que no
470
Proceedings IJM Cancún 2007 on CDROM
ocurrió el esperado aumento de la tasa de densificación cuando fue retomado el programa de
calefacción. Eso es debido a la formación de la solución sólida en una estructura de poros ya muy
cerrada, mostrando que la temperatura del tratamiento térmico fue demasiadamente elevada.
Retracción ∆l/l0 (%)
20
Sin Tratamiento
Térmico
o
1200oC /4 horas
1200 C /12 horas
o
800 C /4 horas
o
800 C /12 horas
18
16
14
12
10
Tratamiento Térmico
8
6
4
2
Tratamiento Térmico
0
600
800
1000
1200
1400
1600 0
o
Temperatura ( C)
60
120
180
Tiempo (minutos)
Figura 1. Efecto de los tratamientos térmicos en la sinterización de pastillas de UO2-Gd2O3
(10 % en peso Gd2O3, 5 °C/min, H2)
Otra posibilidad para actuación en el proceso seria el retrasamiento del proceso de sinterización,
o sea, actuar en la cinética de sinterización de manera que ella ocurra en mayores temperaturas,
después de la formación de la solución sólida y de la formación de poros. Como en el caso
anterior, de esa forma los poros derivados del efecto Kirkendall también podrían ser formados en
una estructura de poros abierta y podrían ser más fácilmente eliminados. El retrasamiento de la
sinterización posiblemente podría ser compensado en la etapa isotérmica del ciclo de
sinterización. Una forma de atingir este objetivo es aumentar la tasa de calefacción en el ciclo de
sinterización. Actuando en ese parámetro, se la cinética de formación de la solución sólida, y, sin
embargo, de la formación de poros decurso del efecto Kirkendall, sea más rápida de que la
cinética de sinterización, el efecto seguramente seria benéfico en termos de porosidad residual,
una vez que una mayor fracción de poros formados podría ser eliminada en la sinterización
posterior. Para testar esa posibilidad, pastillas de UO2-Gd2O3, conteniendo 10 % en peso de
Gd2O3 fueran sinterizadas sob atmósfera de H2 sob diferentes tasas de calefacción, variando
desde 1 °C/min hasta 90 °C/min. Las curvas de sinterización obtenidas están presentadas en la
figura 2. Las tasas de densificación derivadas de esas curvas están presentadas en la figura 3.
Observando las figuras 2 y 3 se puede verificar el efecto positivo del aumento de la tasa de
calefacción en la densidad final obtenida después de la sinterización. La elevación de la tasa de
calefacción de 5 °C/min para 90 °C/min conduce a la reducción de la porosidad final en case 1,5
% en volumen. Cuando la tasa de calefacción es muy baja, como 1 °C/min, la formación de poros
durante la formación de la solución sólida se queda muy bien evidenciada y la densificación en el
471
período isotérmico es muy baja. Por otro lado, cuando la tasa de calefacción es superior a 10
°C/min, la disminución de la tasa de retracción debida a la formación de poros es menor y la
densificación en el inicio del tratamiento isotérmico es bastante pronunciada, resultando en un
efecto benéfico en la eliminación de la porosidad, se obteniendo mayores densidades e el cuerpo
sinterizado.
Retracción
Tiempo (minutos)
(%)
0
50
100
150
22
tasa
o
1 C/min
o
5 C/min
o
10 C/min
o
30 o C/min
50 C/min
o
90 C/min
20
18
16
14
12
10
(%DT)
91,43
91,76
92,09
92,39
92,69
93,08
8
6
4
2
0
-2
600
800
1000
1200
1400
1600
o
Temperatura ( C)
Figura 2. Efecto de la tasa de calefacción en la sinterización de pastillas de UO2-Gd2O3
(10 % en peso Gd2O3, H2)
Tasa de Retracción
o
(%/ C)
Tiempo (minutos)
0
50
100
(%/min)
150
0,4
0,04
o
0,03
0,02
1 C/min
o
5 C/min
o
10oC/min
30 C/min
o
50oC/min
90 C/min
0,3
0,2
0,01
0,1
0,00
0,0
400
600
800
1000 1200 1400 1600
o
Temperatura ( C)
Figura 3. Tasas de densificación derivadas de las curvas presentadas en la figura 2
Las figuras 4 y 5 presentan respectivamente la curva de sinterización y la correspondiente tasa de
densificación de una pastilla UO2-Gd2O3 sinterizada sob argón con tasa de calefacción de 90
°C/min. Esas figuras ilustran con más clareza el efecto benéfico del aumento de la tasa de
472
calefacción en la sinterización del sistema. Cuando la tasa de calefacción es elevada, en el caso
90 °C/min, la tasa máxima de formación de poros simultáneamente la sinterización es menor y la
tasa de sinterización cuando termina la formación de poros es considerablemente mayor,
resultando en una mayor recuperación en la densificación del sistema, el que consecuentemente
conduce a una porosidad residual menor después o ciclo de sinterización.
20
o
5 C/min (argón)
o
90 C/min (argón)
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
600
800
1000
1200
1400
1600 0
o
Temperatura ( C)
60
120
180
Tiempo (minutos)
Figura 4. Efecto de la tasa de calefacción en la sinterización de pastillas UO2-Gd2O3 sob la
atmósfera de argón
Tasa de Retracción (% / min)
0,30
o
5 C/min (argón)
o
90 C/min (argón)
0,25
0,20
0,15
0,10
retracción
0,05
0,00
-0,05
-0,10
dilatación
-0,15
-0,20
-0,25
-0,30
600
1000
800
1200
1400
1600 0
o
Temperatura ( C)
60
120
180
Tiempo (minutos)
Figura 5. Tasas de retracción derivadas de las curvas presentadas en la figura 4
473
Esas observaciones son evidencias experimentales adicionales que comprueban el mecanismo de
formación de poros estables. Conviene mencionar que la temperatura de sinterización usualmente
utilizada en la sinterización del combustible UO2-Gd2O3 es de 1700 a 1750 °C [10,3,11,4,12,9].
Como en este trabajo la temperatura de sinterización adoptada fue de 1650 °C, debido a
limitaciones experimentales, el aumento de esa temperatura para 1750 °C en conjunto con el
aumento de la tasa de calefacción posiblemente permitiría la obtención de la densidad mínima
especificada para el combustible, de 93,5 % de la densidad teórica [13,14].
3. AJUSTE DE LA ACTIVIDAD DEL POLVO DE UO2
Una otra manera de actuar en la cinética de sinterización, de forma que ella ocurra en mayores
temperaturas, después de la formación de la solución sólida y de la formación de poros, es la
disminución de la actividad del polvo de UO2 utilizado en la preparación de la mezcla de polvos.
Siguiendo la misma línea de raciocinio presentada en la sección anterior, con el retrasamiento de
la sinterización los poros derivados del efecto Kirkendall serian formados en una estructura de
poros aún abierta y podrían ser más fácilmente eliminados.
Esa posibilidad fue testada se utilizando polvo UO2, proveniente del TCAU, con diferentes áreas
de superficie específica. El control de la actividad del polvo UO2 es posible por medio del control
de los parámetros de reducción del TCAU. Polvos menos activos pueden ser obtenidos por medio
del aumento de la temperatura y/o tiempo de reducción. Los resultados están presentados en las
figuras 6 y 7. Una vez que los polvos de UO2 con alta superficie específica inician la
densificación en menores temperaturas, la formación de la solución sólida, y la consecuente
formación de poros debido al efecto Kirkendall, ocurre en una estructura de poros bastante
cerrada, durante una etapa ya avanzada del ciclo intermediario de la sinterización. Por ese motivo
es difícil la eliminación de los poros formados. Por otro lado, cuando la superficie específica del
polvo de UO2 utilizado es demasiadamente baja, a pesar del proceso de formación de poros
ocurrir en una estructura de poros más abierta, después su formación no existe disponible
suficiente actividad en el sistema para que ocurra una buena densificación, resultando en
densidades muy bajas. Parece, entonces, existir una superficie específica optima para el polvo de
UO2, no suficientemente alta para cerrar demasiadamente la estructura de poros antes de la
formación de la solución sólida, y no muy baja de forma que comprometa el proceso de
sinterización del sistema como un todo. La superficie específica optima debe ser aquella que
confira al polvo de UO2 de la mezcla características de sinterabilidad de tal forma que en la fases
de densificación la alta temperatura, después la formación de la solución sólida, aunque se tenga
sinterabilidad suficiente para se eliminar en grande parte los poros formados por el efecto
Kirkendall, se optimizando la densificación. De esa forma es reforzada la densificación en
temperaturas arriba de aquellas en las cuales ocurre la formación de poros, al rededor de 1350 °C,
por medio de una reserva de actividad para sinterización en temperaturas elevadas. En este
trabajo, el mejor resultado fue obtenido utilizándose polvo de UO2 con superficie específica de
4,5 m2/g. Se observa en las figuras 6 y 7 que, en el caso de la utilización de este polvo de UO2, la
densificación durante el período isotérmico del ciclo de sinterización fue considerablemente
mayor de que la observada en el caso de utilización del polvo de UO2 con mayores superficies
específicas. Eso explica los resultados obtenidos por Agueda et al [9], que obtuvieran densidades
después la sinterización sensiblemente superiores cuando utilizaran polvo de UO2 con menor área
de superficie específica. Estos investigadores obtuvieran una densidad final hasta 4 % de la
474
densidad teórica superior cuando la superficie específica del polvo de UO2 fue disminuida de
6,65 m2/g para 4,37 m2/g.
20
18
ρ
B.E.T UO2
2
(m /g)
(% DT)
6,0
5,6
4,5
2,8
1,6
91,52
91,76
92,04
90,00
88,95
16
14
12
10
8
6
4
2
0
600
1000
800
1200
1400
1600 0
o
Temperatura ( C)
60
120
180
Tiempo (minutos)
Figura 6. Efecto de la superficie específica del polvo de UO2 en la sinterización de pastillas
UO2-Gd2O3. (10 % em peso de Gd2O3, 5 °C/min, H2)
Tasa de Retracción (% / min)
0,30
6,0
5,6
4,5
2,8
1,6
0,25
2
m /g
2
m /g
2
m /g
2
m /g
2
m /g
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
600
800
1000
1200
1400
1600 0
o
Temperatura ( C)
60
120
180
Tiempo (minutos)
Figura 7. Tasas de retracción derivadas de las curvas presentadas en la figura 6
Esas observaciones también son evidencias experimentales adicionales que comprueban el
mecanismo propuesto de formación de poros estables. Como comentado en la sección anterior, la
utilización de una mayor temperatura de sinterización, como la usualmente utilizada en la
475
sinterización del combustible UO2-Gd2O3 (1700 a 1750 °C), seguramente conduciría a resultados
más positivos, una vez que la mejoría observada en el comportamiento de la sinterización del
sistema UO2-Gd2O3 en función del control de la superficie específica del polvo de UO2 no
permitió, por si solo, la obtención de la densidad mínima especificada para el combustible.
Observándose la densificación que ocurre en la parte isotérmica del ciclo de sinterización, se
puede también concluir que el aumento del tiempo de tratamiento isotérmico debe conducir a la
obtención de mayores densidades en los cuerpos sinterizados. Eso es confirmado por resultados
obtenidos en un trabajo anterior que estudió la sinterización del sistema UO2-Gd2O3 [8]. En ese
trabajo, en la faja de concentración de 2 a 6 % en peso de Gd2O3, fue posible la eliminación
adicional de aproximadamente 2 % en volumen de porosidad con el aumento del tiempo de
tratamiento isotérmico de 3 para 6 horas.
4. AJUSTE EN EL PROCEDIMIENTO DE HOMOGENIZACIÓN DE LO POLVOS
Como fue discutido en trabajos previos [5,7], se verificó que la homogeneidad de la distribución
del Gd2O3 en el polvo mixto ejerce una decisiva influencia en la sinterización de pastillas UO2Gd2O3, o sea, tanto mayor es la densidad final obtenida cuanto mayor es la homogeneidad en la
distribución. Ese comportamiento es explicado basado en el mecanismo de poros estables.
Cuando el nivel de homogeneidad es macroscópico, están presentes aglomerados de Gd2O3 que
conducen a la formación de grandes poros cuando ocurre su solubilización en la matriz de UO2,
decurrente del efecto Kirkendall. Se el tamaño del aglomerado es suficientemente pequeño, o se
las partículas del Gd2O3 están presentes individualmente, con diámetro medio de la orden de 2,5
µm, como es el caso del polvo de Gd2O3 utilizado en este trabajo, los poros formados por estas
partículas de pequeño tamaño posiblemente pueden ser eliminados después de su formación, en
las etapas subsecuentes de sinterización. Esa situación ocurre cuando es alcanzado el nivel
microscópico de homogeneidad en la distribución de Gd2O3 en el polvo mixto. Esa afirmación es
basada en los resultados experimentales obtenidos en nuestros trabajos previamente publicados
[7,8]. Cuando la homogeneidad en la distribución de Gd2O3 alcanza el nivel atómico, el polvo
mixto ya se encuentra en la forma de solución sólida, no siendo posible la ocurrencia del efecto
Kirkendall, conduciendo a la obtención de altas densidades después la sinterización, una vez que
la sinterización es beneficiada por la presencia de los cationes Gd3+ en la red cristalina del UO2.
Por consiguiente, el desarrollo de un método alternativo de homogenización de los polvos de
UO2 es Gd2O3, lo cual permita la obtención del nivel microscópico de homogeneidad, es una
posible solución para el problema observado en la sinterización del sistema UO2-Gd2O3.
El método de homogenización debe preservar la morfología original de las partículas de TCAU,
la cual confiere al UO2 producido a deseable buena escurribilidad que permite la compactación
directa. La utilización del método de comolaje, sea húmedo o seco, a pesar de resultar en buenas
densidades después de la sinterización (nivel microscópico de homogeneidad), no es
tecnológicamente interesante por destruir la morfología original del polvo de UO2, lo que implica
en la necesaria incorporación de la etapa de granulación.
El proceso de coprecipitación vía TCAU, que en verdad es una precipitación simultánea, permite
la obtención del nivel microscópico de homogeneidad en la distribución del Gd2O3 en el polvo
mixto UO2-Gd2O3, lo que resulta en un nivel de densificación suficiente durante la sinterización
[7,8]. Sin embargo, la desventaja de la incorporación del gadolinio en la etapa de la precipitación
476
es la contaminación del reactor, exigiendo aparatos exclusivos. Como el combustible UO2-Gd2O3
es siempre utilizado en conjunto con el combustible padrón de UO2, toda la instalación de
precipitación debe ser necesariamente duplicada. Para evitar la duplicación de la instalación, una
alternativa seria la incorporación del gadolinio, en la forma de óxido, a la suspensión del TCAU
antes de la filtración. De esa forma seria realizada una homogenización en medio líquido, mucho
más eficiente por permitir la desaglomeración del Gd2O3, dispersándose las partículas
individuales en los cristales de TCAU. En este caso, después de la precipitación del TCAU en el
reactor tradicional, la suspensión seria bombeada para un estanque de homogenización y, a partir
de ahí, para un filtro especial, diferente del utilizado en el proceso de producción del combustible
UO2 padrón. En ese caso serian necesarias solo la duplicación del sistema de filtración y la
instalación de un estanque de homogenización adicional.
Esa solución fue intentada en el presente trabajo, en escala de laboratorio. Sin embargo, los
resultados obtenidos no se mostraran satisfactorios, una vez que fue observada una fuerte
inclinación a la segregación del Gd2O3 en la suspensión, así como una también aceptuada
inclinación a la aglomeración durante la filtración. Es necesaria la ejecución de un programa de
investigación con el objetivo específico de encontrar medios que garanticen una buena
homogeneidad en la suspensión y filtración, posiblemente por medio de la utilización de algún
tipo de dispersante.
Los métodos de síntesis del Gd2O3 más comunes son basados en la descomposición térmica de
carbonatos e hidróxidos. A partir de esos métodos, el mínimo tamaño de partícula obtenido es
limitado por la sensible inclinación a la aglomeración durante la descomposición térmica. Sin
embargo, Mazdiyani y Brown [15] desarrollaran una técnica de calcinación dinámica que previne
la agregación durante la descomposición térmica, lo que posibilitó la obtención de partículas
finas de Gd2O3, al rededor de 28 nm. Más allá de esto, como nuevas aplicaciones del Gd2O3 tiene
sido recientemente investigadas, principalmente como adictivos y dopantes, nuevos métodos para
su preparación también tiene sido investigados. Polvo de Gd2O3 ultra fino tiene sido obtenido por
medio de síntesis mecánico química, resultando en partículas de 0,1 µm [16,17]. La utilización de
polvos de Gd2O3 ultra finos que exhiben baja inclinación a la aglomeración, adoptándose a
técnica de homogenización en la suspensión del TCAU, o mismo la técnica de mezclar la
mecánica a seco de los polvos, probablemente conduciría a un bueno resultado, minimizándose
los efectos del mecanismo demostrado en este trabajo por medio de disminución del diámetro de
los poros formados debido al efecto Kirkendall.
5. CONCLUSIONES
Fue observado experimentalmente que el aumento de la tasa de calefacción en el ciclo de
sinterización y la disminución de la actividad del polvo de UO2 ejercen una influencia positiva en
el proceso de densificación. Este comportamiento está en acuerdo con el mecanismo de
formación de poros estables, propuesto y demostrado en trabajos previos, válido en el caso del
método de mezcla mecánica a seco para la incorporación de Gd2O3. Estas observaciones
direccionan posibles acciones de ajuste en los procedimientos de fabricación para minimización
de los efectos del mecanismo y, por lo tanto, para optimización de la densidad final de las
pastillas UO2-Gd2O3 sinterizadas, a saber:
477
a) utilización de la tasa de calefacción en el ciclo de sinterización la más alta aplicable
tecnológicamente, a ser definida con base en la micro estructura resultante de la pastilla
sinterizada. Es recomendada una tasa de calefacción superior a 30 °C/minuto;
b) utilización de un polvo de UO2 con actividad ajustada de tal forma que el inicio de la
densificación sea retardado sin comprometer la densificación en los ciclos finales del proceso
de sinterización, manteniéndose una reserva de actividad para la sinterización en altas
temperaturas. La superficie específica puede ser controlada por medio del ajuste de las
condiciones de reducción del polvo de TCAU precursor. La superficie específica ideal no fue
precisamente determinada en este trabajo, pero debe estar situada en la faja entre 4 m2/g y 5
m2/g;
c) aumento de la temperatura de sinterización para 1750 °C, la cual es la temperatura de
sinterización usualmente adoptada en el proceso de fabricación del combustible UO2 a partir
de la tecnología del TCAU;
d) aumento del tiempo de sinterización para maximización de la densificación en la etapa
isotérmica de la sinterización, utilizándose al máximo la reserva de actividad mencionada en
el ítem b.
Probablemente, una combinación de los ajustes en los parámetros de sinterización y del ajuste en
la actividad del polvo de UO2 irá resultar en la obtención de pastillas UO2-Gd2O3 con la mínima
densidad requerida por la especificación. Sin embargo, un trabajo complementar con ese objetivo
específico aún debe ser realizado.
Finalmente, sabiéndose la causa primaria responsable por el malo comportamiento de la
sinterización del sistema UO2-Gd2O3 es una homogeneidad insuficiente en la distribución de
Gd2O3 en el polvo de UO2, lo que viabiliza la ocurrencia del efecto Kirkendall, se puede también
concluir que el desarrollo de técnicas alternativas de homogenización, en conjunto con la
utilización del polvo de Gd2O3 con características especiales, probablemente permitirían la
obtención de pastillas UO2-Gd2O3 con la densidad mínima especificada. Pero, un trabajo
específico en esa área aún debe ser conducido.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean expresar su gratitud a CTMSP (Centro Tecnológico de la Armada en São
Paulo) por el permiso para usar sus instalaciones. Los autores también desean expresar su
gratitud a los colegas del Laboratorio de los Materiales Nucleares de CTMSP por su auxilio en el
curso de este trabajo.
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Aspectos Tecnológicos Relacionados a los Procedimientos de

Transcripción

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