SECCIÓN DE MATERIALES NUCLEARES

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OBJETIVO

La Sección de Materiales Nucleares (SMN) es parte integrante del Departamento de Materiales. Las instalaciones de la Sección están constituidas por la Planta de Elementos Combustibles, PEC y el Laboratorio de Conversión. De aquí se derivan los objetivos principales de la Sección, siendo para la Planta de Elementos Combustibles el realizar investigación, desarrollo y producción de Elementos Combustibles para reactores nucleares de investigación mientras que por su parte el Laboratorio de conversión tiene como objetivo desarrollar un proceso de obtención de uranio metálico a partir del compuesto hexafluoruro de uranio, UF6.

LINEAS DE TRABAJO

Planta de Elementos Combustibles

De los objetivos principales de la SMN se deriva la Política de Calidad de la PEC, la cual propone estudiar, desarrollar y suministrar elementos combustibles para reactores nucleares de investigación, asumiendo como compromiso el cumplimiento de especificaciones internacionales en cuanto a confiabilidad y seguridad, en donde la calidad, el mejoramiento continuo y la excelencia de los productos son prioridades básicas.

La Planta de Elementos Combustibles, desarrolla sus funciones bajo un Sistema de Gestión de Calidad certificado bajo el estándar ISO 9001 - 2000 y acreditación de ANSI-RAB de Estados Unidos de Norteamérica.

La principal línea de trabajo tiene relación con la fabricación de una nueva carga de elementos combustibles para el reactor chileno RECH-1 en operación en el CEN La Reina. Este programa de fabricación tuvo como propósito inicial la fabricación de 50 elementos combustibles con U de bajo enriquecimiento (19.75% 235U) en forma de siliciuro de uranio (U3Si2). Las principales tareas en este tema realizadas durante el año 2004 fueron las siguientes:

· Armado y Ensamblado de un elemento combustible tipo RECH-1 con boquilla modificada. LR-82

· Control de calidad de placas y del elemento combustible LR-82

· Difusión Científica de Resultados.

En otra línea de trabajo, durante el 2004 se continuó desarrollando el proyecto de cooperación técnica OIEA CHI 4/021 bajo el título de “Optimisation of the Chilean Nuclear Energy Commission´s Capability and Under Irradiation Qualifyng of Research Reactor Fuel Elements”. En el ámbito de este proyecto durante el 2004 se realizaron las siguientes actividades:

· Calificación bajo irradiación de elemento combustible: En esta materia se continuó con la irradiación del elemento combustible LCC-01 fabricado por la PEC y cuyo diseño fue adaptado al reactor de alto flujo HFR, de Petten, Holanda. Esta actividad se deriva de un contrato firmado entre CCHEN - NRG (Holanda) - OIEA y tiene por objeto calificar un elemento combustible fabricado en CCHEN bajo estándares internacionales reconocidos por los principales fabricantes de combustibles del mundo. El elemento en cuestión fue trasladado a Holanda y luego de superar las inspecciones, ensayos y exigentes pruebas previas a la irradiación, a partir del 15 de mayo del 2003 ingresó al núcleo del reactor en donde permaneció hasta alcanzar un 65% de quemado, aproximadamente, a principios de noviembre del 2004. Hasta el término de la irradiación el elemento combustible chileno había mostrado un comportamiento absolutamente satisfactorio durante los 16 ciclos de irradiación a los que fue sometido. Actualmente el elemento combustible se encuentra en una etapa de enfriamiento en la piscina lateral del reactor, fuera de su núcleo, a la espera de los ensayos post irradiación que se realizarán en agosto del 2005 en los laboratorios de celdas calientes del complejo nuclear de Petten.

· Sistema de Gamma Scanner para evaluación de homogeneidad del meat y medición del 235U en placas combustibles: Este sistema integrado fue adquirido por el OIEA y recibidos todos sus componentes en agosto del 2003. Se realizaron las pruebas por separado de los sistemas de detección, software y sistema móvil, luego de lo cual se realizó el montaje integrado del equipo. Las actividades realizadas durante el 2004 a este respecto fueron la fabricación de patrones tipo placa con diferentes contenidos de 235U, además del diseño y fabricación del blindaje de plomo y los colimadores de tungsteno para el sistema detector de germanio de alta pureza. La tarea de desarrollo de la técnica necesaria para la incorporación del equipo y del ensayo de gamma scanning a los controles de calidad en la fabricación de placas combustibles no fue completada, básicamente, porque no fue posible concretar la capacitación en el extranjero solicitada al OIEA. Esta parte pendiente de la tarea fue reprogramada para el 2005.

· Sistema de Scanner por Ultrasonido: Este sistema fue adquirido por el OIEA a la empresa norteamericana Panametrics Inc y recibido en los laboratorios de la PEC en septiembre del 2003. La aplicación de este sistema permitirá la evaluación, mediante un ensayo no destructivo, del pegado entre cladding y meat de las placas combustibles, permitiendo prevenir la aparición de ampollas en los elementos combustibles durante su irradiación en el núcleo del reactor. Además de esta aplicación, este scanner ultrasónico también puede ser utilizado en la detección de defectos internos de materiales estructurales, de uniones soldadas y piezas y partes diversas, constituyendo uno mas de los spin-off de la tecnología de fabricación de combustibles nucleares. A fines del 2003 se obtuvo, de parte del OIEA, la capacitación en Batan - Indonesia para un profesional de la PEC en la evaluación de placas combustibles mediante ultrasonido. Durante el 2004 se realizaron específicamente las tareas de fabricación de patrones para ultrasonido, con diferentes calidades de aluminio y distintos espesores de cladding. Se evaluaron placas combustibles no conformes rechazadas por defectos de ampolladuras y finalmente se elaboró una versión preliminar del Procedimiento de Evaluación de Pegado de Placas Combustibles por Ultrasonido. Ha sido programada para el 2005 la emisión de la versión final de este procedimiento, además de la aplicación de este ensayo no destructivo a materiales no nucleares con fines de diversificación y aporte a sectores productivos del país.

Una tercera línea de trabajo tiene relación con el Sistema de Gestión de Calidad que se ha implementado en la PEC para sus procesos de Fabricación de Elementos Combustibles, cabe mencionar que este Sistema fue certificado en el 2003 por la empresa Bureau Veritas bajo estándar ISO 9001 – 2000 con acreditación internacional otorgada por ANSI-RAB de EEUU. Para este propósito la PEC ha optimizado la documentación presentándose durante el 2004 a la segunda auditoria de vigilancia, tras lo cual el Sistema de Gestión de Calidad SGC de la Planta de Elementos Combustibles fue reconfirmado a través del resultado de esta auditoría externa. A finales del 2004 se decidió, por parte de autoridades de la CCHEN, la integración del Sistema de Gestión de Calidad (SGC) de la PEC al Sistema Integral de Calidad (SIC) de la CCHEN, el cual también se encuentra certificado bajo normas ISO 9000. Esta integración de los sistemas de calidad se inició en el 2004 y continuará hasta mediados del 2005.

Por último, en cuanto a actividades de investigación relacionadas con materiales nucleares, la PEC ha continuado durante el 2004 el desarrollo de aleaciones U-Mo como material físil para combustibles de alta densidad. A este respecto se realizó durante el año pasado los estudios de las diversas tecnologías para obtención de polvos de aleaciones U-Mo. Se estudiaron métodos de molienda criogénica, moliendas de alta energía en attritor y molino Spex y molienda convencional con cuchillos rotatorios. También se desarrolló la tecnología de obtención de polvos por hidruración – molienda – deshidruración. Todos estos estudios definirán las posibles vías de obtención de material físil particulado necesario para la fabricación de combustibles tipo disperso. Para estos propósitos se ha contado con la colaboración del Departamento de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Santiago de Chile y los estudios se desarrollan con la asistencia de los estudiantes Sr. Cesar Pozo A. y la Srta. Débora Fernández M., estudiantes memoristas de dicha institución. Por otra parte, durante el 2004, se inició el desarrollo de combustible monolítico en base a U-Mo, metodología que, a juicio de los expertos internacionales, es la más promisoria en cuanto a la factibilidad de fabricación de combustibles densos como alternativa para los actuales reactores de investigación.

Laboratorio de Conversión

A partir de su principal objetivo cual es la conversión tiene enfocadas sus actividades en el desarrollo de un proceso de obtención de uranio metálico a partir del compuesto hexafluoruro de uranio, UF6. El uranio obtenido permitirá proveer de materia prima a la Planta de Fabricación de Elementos Combustibles para reactores de investigación. El desarrollo de los procesos involucrados se ha llevado a cabo empleando, como ya se indicó, hexafluoruro de uranio, UF6, natural, pero el paso siguiente será emplear uranio enriquecido al 19.75 % en el isótopo U235.

Los procesos desarrollados hasta ahora son los siguientes:

· Obtención de UF4 por reducción de UF6 con H2 En este proceso se pone en contacto gas UF6 con hidrógeno, es decir, una reacción gas-gas a temperatura, generándose una reacción cuyo producto es UF4 en polvo y HF gas.

· Obtención de UO2F2 por hidrólisis de UF6 En este proceso se pone en contacto gas UF6 con agua, producto de esta reacción de hidrólisis se genera como producto una solución de UO2F2.

· Obtención de UF4 por reducción de UO2F2 mediante cloruro estanoso y precipitación de UF4 Este proceso consiste en la reducción química de una solución de UO2F2, a temperatura y agitación constante, mediante la adición de estaño, como agente reductor, en forma de SnCl2 y HF.

· Obtención de uranio metálico mediante reacción metalotérmica con MgEste proceso consiste en mezclar polvo de UF4 con polvo de Mg y bajo una atmósfera protectora de argón se somete a temperatura, condición necesaria para producir una reacción fuertemente exotérmica cuyo producto principal es uranio metálico.

Otra línea de trabajo del Laboratorio guarda relación con el Licenciamiento del Proceso y de la Instalación por parte del organismo regulador representado por la Sección de Análisis y Control de Seguridad SACS del DSNR. Al respecto durante el 2004 se elaboró la documentación relativa a Informe de Seguridad, Manual de Descripción de la Instalación, Descripción de Procesos, Plan de Mantenimiento, Manual de Procedimientos Técnicos e Instrucciones de Trabajo, Manual de Protección Radiológica y Plan de Emergencias Radiológicas y Convencionales.

RESULTADOS RELEVANTES DEL PERÍODO

Planta de Elementos Combustibles

· Fabricación del un elemento combustible para el reactor RECH-1 con diseño de boquilla modificado, con lo cual ya suman 47 los elementos combustibles fabricados y entregados al RECH-1, incluidos cuatro elementos combustibles líderes y un elemento combustible experimental, bajo irradiación desde fines de 1998. Cabe destacar que este elemento combustible es el primero fabricado en la PEC con diseño optimizado, lo cual constituye una primera muestra de las capacidades de la CCHEN en cuanto a diseño de combustibles nucleares

· Desarrollo de los análisis de alternativas para la definición de estrategias de venta de combustibles a reactores nucleares de investigación extranjeros

· Término satisfactorio de la irradiación de un elemento combustible, hecho íntegramente en Chile, en el Reactor de Alto Flujo de Petten, Holanda. Las actividades tendientes a la calificación bajo irradiación de un elemento combustible fabricado en CCHEN avanzan sin mayores inconvenientes de acuerdo a lo programado.

· Consolidación de la certificación del Sistema de Gestión de Calidad de la Planta de Elementos Combustibles e inicio de su integración al Sistema de gestión de calidad (SIC) de la CCHEN. Ambos sistemas certificados y acreditados internacionalmente según estándares de las Normas ISO 9001 - 2000.

· Realización de Tesis de Pregrado de dos estudiantes de ingeniería de ejecución metalúrgica en el tema de desarrollo de tecnologías de fabricación de combustibles densos en base a aleaciones U-Mo.

Laboratorio de Conversión

· Desde los primeros días de 2004 se realizaron diversas experiencias orientadas a reducir la contaminación de níquel y cobre proveniente de las paredes del reactor de monel (aleación Ni-Cu) en el producto del proceso de reducción de UF6 con H2, ya que estas impurezas metálicas presentes en el UF4, pueden originar en el proceso siguiente, la magnesiotermia, que el producto de ésta, uranio metálico, no cumpla con la norma respecto a contenidos de impurezas.

· Se variaron diversos parámetros de operación del proceso; como la temperatura de calentamiento de la mezcla de gases UF6 + N2, temperatura del reactor, flujos de UF6 e H2, etc. No se logró bajar el contenido de las impurezas mencionadas, razón por la cual debió detenerse el comienzo de la conversión del UF6 de bajo enriquecimiento en U235 programada para mayo.

Debido a lo anterior, en mayo se inició, en forma acelerada, el desarrollo de un nuevo proceso de transformación de UF6 en UF4 , que consiste en hidrolizar el UF6 en agua, obteniéndose una solución de UO2 F2 y a continuación precipitar UF4 por adición de SnCl2 y HF. Una vez finalizada la precipitación el producto del proceso, UF4 hidratado, debe ser lavado, filtrado, secado y deshidratado, para disponer de UF4 en condiciones de ser utilizado en la etapa siguiente que es la obtención de uranio metal.

Para este proceso se adaptaron componentes de equipos usados en otros procesos anteriores, logrando disponer de una instalación operativa a fines del mes de septiembre. Se diseñó y fabricó el sistema de reducción y precipitación, con sistemas de agitación y calentamiento; el sistema de lavado y filtrado; un sistema de rack para secado de polvos de UF4; y un sistema para la deshidratación de polvos de UF4 en atmósfera protectora de argón.

· Una vez finalizados los nuevos equipamientos y experiencias de desarrollos de los procesos se llevó a cabo el análisis de riesgos de los procesos, para finalizarlo con la obtención de la Licencia de Operación a fines de noviembre del 2004. Para ello se confeccionó la documentación y planos requeridos. Esta documentación incluyó la redacción del Informe de Seguridad, Manual de Descripción de la Instalación, Descripción de Procesos, Plan de Mantenimiento, Manual de Procedimientos Técnicos e Instrucciones de Trabajo, Manual de Protección Radiológica y Plan de Emergencias Radiológicas y Convencionales.

· También durante el 2004 se confeccionó el informe DIQ “Design Information Questionnaire”, para ser presentado en el OIEA. Este documento confidencial entrega la información requerida por el OIEA referente a la descripción de las Plantas de Conversión, parámetros de los procesos, flujo y descripción del material nuclear, manejo, contabilidad y control del material nuclear, planes de mantenimiento y medidas de protección y seguridad.

PARTICIPACIÓN INTERNACIONAL

Durante el 2004 la Sección de Materiales Nucleares continuó con el desarrollo del proyecto de cooperación técnica del OIEA "Production and Irradiation of Fuel Elements for Research Reactors". En este contexto, en noviembre del 2004 finalizó la irradiación del elemento combustible LCC-01 en el reactor de alto flujo de Petten, Holanda, que tuvo como propósito su calificación bajo irradiación. En esta materia, durante el 2004, profesionales del HFR de Petten emitieron, con la asistencia y participación de profesionales de la SMN los siguientes informes:

· RECH-1 Test fuel element irradiation experiment TP 349 "CHIP" Intermediate Irradiation Report, M-A.C. van Kranenburg Petten, Julio 2004

· RECH-1 Test fuel element irradiation experiment TP 349 "CHIP" Design and Safety Report, M-A.C. van Kranenburg Petten, Agosto 2004

INFORMES TÉCNICOS Y DOCUMENTACIÓN

Planta de Elementos Combustibles

· Informes Técnicos
Informe de entrega "Documentación de Elemento Combustible de Bajo Enriquecimiento a Base de U3Si2 para el Reactor RECH-1". Elementos LR-780, LR-81 y LR-82

· Documentación
Adicionalmente la Planta de Elementos Combustibles actualizó en el año 2004 alrededor de 20 documentos de su Sistema de Gestión de Calidad - SGC, con el propósito de mantener y mejorar continuamente este Sistema, de acuerdo a las pautas de los estándares ISO 9001 - 2000, concepto indispensable para la mantención de la certificación. A finales del 2004 la PEC inició la modificación de la documentación del SGC con el propósito de adoptar el Sistema Integral de Calidad- SIC, también certificado y acreditado, impuesto por la CCHEN para todas sus unidades integrantes.

Laboratorio de Conversión

· Documentación
Se elaboraron los siguientes documentos requeridos para obtener licenciamiento de las operaciones:

- Informe de Seguridad
- Manual de Descripción de la Instalación
- Descripción de los Procesos
- Plan de Mantenimiento
- Manual de Procedimientos Técnicos e Instrucciones de Trabajo
- Manual de Protección Radiológica
- Plan de Emergencias Radiológicas y Convencionales

Por su parte el grupo licenciante emitió el informe Análisis de Riesgos y Recomendaciones de Seguridad, Laboratorio de Conversión

· DIQ Laboratorio Experimental de Conversión, Diciembre 2004

· INF-DM-CONV-001/2004 "Análisis del problema de contaminación con Ni y Cu en la obtención de UF4 mediante reducción de UF6 con H2". Agosto 2004.

PUBLICACIONES INTERNACIONALES
TITULO AUTORES PUBLICADO EN FECHA PUBLICACIÓN
Characterization of molybdenum trioxide powder for a SHS process R.I. Caro, C. Castro, A. Melendez, S. Lagos, J. Lisboa, J. Nanjari, J. Rivera International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. Aceptado para publicación en octubre del 2004
PRESENTACIONES A CONGRESOS INTERNACIONALES
TITULO AUTORES PUBLICADO EN FECHA PRESENTACIÒN
RECH-1 Test Fuel Irradiation.Status Report J. C. Chávez, L. Olivares, J. Lisboa y J. Marín. 26th International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors Viena – Austria 7 - 12 noviembre 2004

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