Abstract

El siguiente trabajo forma parte de un proyecto que se realiza en la Planta Elementos Combustibles de la Comisión Chilena de Energía Nuclear, el cual propone desarrollar aleaciones de uranio – molibdeno para utilizarlas como fase dispersa, en forma de polvos, en combustibles nucleares de alta densidad. Para dispersar esta aleación es necesario que se encuentre en forma de finas partículas. La aleación de interés es una fase con estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC), metaestable a temperatura ambiente, y por ende no es frágil, dificultando la obtención de polvos a través de molienda convencional. Los metales o aleaciones que admiten grados importantes de deformación plástica antes de llegar a la fractura representan un complejo desafío al momento de ser convertidos en sistemas particulados. Mientras que en los materiales frágiles basta la utilización de metodologías convencionales de molienda mecánica para provocar su fragmentación y transformación en polvos, los materiales dúctiles requieren la aplicación de técnicas alternativas, con frecuencia asociadas a una no despreciable cantidad de energía, que afecta finalmente la eficiencia y aplicabilidad de estas técnicas, más allá de pruebas a nivel laboratorio. Ha sido planteado como objetivo el desarrollo de una tecnología de obtención de polvos de la aleación U 7% en peso de Mo, en rango de tamaños normados internacionalmente. En la fabricación de combustibles para reactores nucleares de investigación y ensayos, las especificaciones restringen el uso de partículas a tamaños menores a 150 µm, con no más de un 50% de polvos de tamaño menor a 45 µm [1]. El proceso de molienda se realizó con cinco tipos de tecnologías existentes: molienda criogénica, molienda de alta energía, molienda en molino de cuchillos, Hidruración-deshidruración y atomización centrífuga. Para el desarrollo de este trabajo se utilizaron aleaciones U7Mo, sometidas a tratamientos tales como: • Tratamiento térmico de homogeneización a 980°C por 72 horas. • Procesos de laminado y chancado. Debido a esto es necesario identificar las distintas muestras, ya que poseen diferentes características, como su forma física, su microestructura, comportamiento bajo hidruración, etc. La nomenclatura de las muestras es detallada en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Características y Nomenclatura de muestras de aleaciones UMo Características Nomenclatura Obtenida por fusión. U7Mo-STT Obtenida por fusión, mecanizada como viruta U7Mo-STT-V Obtenida por fusión y luego sometida a tratamiento de homogeneización. U7Mo-CTT Obtenida por fusión, tratamiento de homogeneización, laminado y chancado. U7Mo-CTT-LYCH El producto de las distintas moliendas, hidruración-deshidruración y atomización centrífuga fue sometido a análisis granulométrico, a través de un set de mallas Tyler, análisis por difracción de rayos X (DRX) con el fin de visualizar la presencia de fases, contaminación de polvos, presencia de hidruros y microscopía electrónica de barrido (MEB) para visualizar la morfología de las partículas obtenidas en cada tecnología utilizada. Finalizadas todas las etapas de molienda se determinó que el proceso que cumple con el objetivo de obtener polvos es la molienda de cuchillos de WC para U7Mo-STT-V y molienda de alta energía para U7Mo-STT-V, y U7Mo-CTT-LYCH. Para la tecnología de Hidruración-Deshidruración, HMD, se propuso inducir fragilidad mediante la incorporación de hidrógeno y formación de hidruros en la aleación, para finalmente utilizar molienda convencional y deshidruración de los polvos obtenidos. Las aleaciones fueron sometidas a un ciclo de hidruración bajo presión de hidrógeno, con diferentes tiempos de mantención, 18 y 36 horas, después de clasificar el producto de hidruración, las partículas mayores a 4 mm fueron sometidas a chancado, luego se clasificaron y las partículas menores a 4 mm se unieron a las partículas no chancadas. Luego del chancado se continúa con la etapa de molienda, el tamaño de partículas para alimentar el molino es menor a 4 mm y mayor a 150 μm. Finalizadas todas las etapas se determinó que la hidruración cumple con el objetivo de fragilizar la aleación U7Mo, y la que obtuvo mejor comportamiento fue U7Mo-STT e hidrurado durante 36 horas. La tecnología de atomización centrifuga permite obtener polvos a partir de un arco eléctrico producido entre un electrodo de tungsteno y un pin o cilindro fabricado de una aleación UMo, que constituye el electrodo rotatorio y que al momento de producir el arco, se encuentra girando a gran velocidad (20000-40000 rpm). Esta fusión incipiente, seguida inmediatamente por una rápida proyección y solidificación de la fracción fundida produce gotas que viajan a gran velocidad, hasta impactar ya en estado sólido, las frías paredes de un contenedor cilíndrico de acero inoxidable. En un sistema construido en la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) para funcionar dentro de una caja de guantes y bajo atmósfera inerte, el proceso de atomización demora del orden de 30 segundos para el caso de electrodos o pines de 30 gramos aproximadamente, de los cuales dos tercios se convierten en un sistema particulado, mientras que el resto del material queda en el porta electrodo que puede ser reprocesado. La corriente aplicada por el electrodo de tungsteno es del orden de 80 a 118 amperes y los polvos a producir por medio de esta metodología presentan morfología esférica o muy próxima a ella, con distribución de tamaño de 50 a 300 μm, dependiendo de la velocidad de rotación.