Tecnología CANDU con sello argentino

Por María Julia Echeverría. En U-238 Mayo 14

La extensión de vida de Embalse plantea múltiples desafíos para los distintos actores del sector nuclear argentino. Probablemente, el de mayor envergadura haya sido el desarrollo de la tecnología de fabricación de los tubos de presión CANDU para reemplazar los que actualmente están instalados en el núcleo de la central, ubicada en la provincia de Córdoba. En esta nota, sus protagonistas repasan cómo fue esa experiencia y no descartan la posibilidad de que el país pueda exportar dichos componentes.

Era un proceso inevitable. Tarde o temprano, la Central Nuclear Embalse cumplirá su ciclo de operación y algunos componentes llegarían al fin de su vida útil de diseño. Para adelantarse a lo inevitable, en 2007 comenzó el proyecto de extensión de vida de la planta, con los estudios de factibilidad y envejecimiento de los sistemas. Allí se determinó que sería necesario reemplazar muchos de sus componentes, como los tubos de presión, los generadores de vapor, las computadoras de proceso, entre otros.

Por aquellos años, también se decidió que la fabricación de dichos componentes se llevara a cabo en el país, dada la considerable experiencia acumulada en el desarrollo de tecnologías aplicables al área nuclear, que demostraron tener un nivel de calidad comparable al de países líderes en la materia. Fue en ese momento que el Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) comenzó a trabajar en el desarrollo de los tubos de presión, componente fundamental de los reactores de tecnología CANDU (Canadian Deuterium Uranium reactor).

Un componente muy particular

El tubo de presión es el componente más exigido durante la operación de las centrales CANDU, ya que en su interior se encuentran los canales combustibles en los que se produce el proceso de fisión. Durante su vida útil, el reactor debe operar a temperaturas de entre 250 y 300 grados centígrados, soportar 100 atmósferas de presión interna y estar constantemente sometido al flujo neutrónico producto de la fisión del uranio.

El desafío del Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio fue, justamente, desarrollar este componente con la misma calidad que los originales, que fueron fabricados por la empresa canadiense AECL (Atomic Energy of Canada Ltd).

Al respecto, Pablo Vizcaino —Doctor en Ciencia y Tecnología y Jefe del Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio— comentó que desde 2007 vienen trabajando en el desarrollo de estos tubos. “En lo tecnológico, se comenzó laminando tubos prototipo a los efectos de evaluar el comportamiento del material y los distintos parámetros que gobiernan el funcionamiento de la laminadora utilizada (HPTR 60-120). Luego, se procesaron las partidas experimental y de calificación. Finalizados los ensayos realizados, AECL dio por calificado el proceso de fabricación y se inició la etapa productiva”, recordó. Actualmente, el Departamento a cargo de Vizcaino cuenta con más de 20 profesionales de distintas especialidades.

En forma simultánea a estos procesos, en los laboratorios del Departamento también se profundizaron las tareas de investigación orientadas a conocer la influencia de la deformación plástica que se aplica en la laminadora sobre las propiedades establecidas en la especificación y otras sólo requeridas en la etapa de calificación.

Por otra parte, en la última etapa previa a la fabricación, hubo un importante esfuerzo aplicado al entrenamiento que permitió la capacitación tanto del personal que realiza los controles en planta como de quienes llevaban a cabo las tareas productivas. De esta manera, la producción se inició en septiembre de 2012.

“Cabe destacar —agregó Vizcaino— que el proceso de laminación en frío que aplicamos es una alternativa a la tecnología de fabricación original empleada en Canadá (trefilado)”. De esta manera, el sistema nuclear argentino logró certificar una tecnología de fabricación de los tubos de presión made in Argentina.

De acuerdo con el especialista, “nuestra laminadora se compró en la década del 80, con la intención de desarrollar la tecnología y fabricar todos los tubos estructurales de gran tamaño que forman parte del interior de un reactor. Este equipo fue adquirido en la ex Unión Soviética y se instaló en el Centro Atómico Ezeiza, que produce tubos de alta calidad superficial y gran precisión dimensional. Previo a esta etapa, se la utilizó para desarrollos experimentales de tubos de calandria sin costura y para la fabricación de tubos guía para barras de control de Atucha I. A pesar de su baja utilización durante ese periodo, el personal del sector siempre mantuvo la expectativa de elaborar tubos para canales de combustibles para nuestras centrales nucleares”.

Sobre la metodología local, Vizcaino especificó: “Es un proceso, en algunos aspectos, mejor que el que emplean los canadienses. Si bien con ambos procesos se obtienen tubos en especificación, la laminación requiere menos trabajo de acondicionamiento superficial”.

Para desarrollar esta variante, contaron con el asesoramiento de los antiguos fabricantes, “pero siempre en forma limitada, porque las compañías son muy reticentes a todo lo que sea transferencia tecnológica. La tecnología hay que pagarla, y estos secretos no se revelan. Entonces te dan algunas pautas, pero por sobre todo te piden que cumplas con muchos requisitos. Tanto nosotros como CONUAR-FAE, —que es la empresa que compra la materia prima, se encarga de las últimas etapas de fabricación de los tubos y es la que provee el componente a Nucleoeléctrica—; debimos trabajar cumpliendo con los requisitos del código ASME (American Society of Mechanical Engineers) para componentes nucleares”. Este código es de aceptación mundial y es usado por todo el mundo. Es un código de diseño, construcción, inspección y ensayos para equipos, entre otros, calderas y recipientes sujetos a presión.

A pesar de las diferencias en el proceso, el resultado final es un tubo de presión exactamente igual a los originales, con las mismas propiedades del material y dimensiones. Mientras que los tubos tienen siete metros y medio de largo, aproximadamente, cuando salen de la planta, los que se instalan en el reactor son más cortos: tienen 6,3 metros de largo, y 112,5 milímetros de diámetro externo y 103,5 de diámetro interno.

Un proceso largo y complejo

La fabricación de estos tubos tiene muchas complejidades y etapas. Por empezar, el Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio recibe la materia prima que procesa previamente la empresa norteamericana Wha Chang. “Recibimos un tubo procesado a muy alta temperatura y nosotros hacemos una primera etapa de laminación, que se realiza a temperatura ambiente”, explicó Vizcaino.

Esta etapa de laminación se realiza en la Planta Piloto para Fabricación de Aleaciones Especiales (PPFAE), cuyo responsable es el ingeniero Daniel Bianchi. Sobre el tema, Bianchi explicó: “Sólo nos encargamos de la etapa de laminación, que es un proceso de deformación plástica en frío. Esto, desde el punto de vista del proceso, no es mucho más complejo que fabricar cualquier otro tubo. No tienen un tratamiento distinto, pero sí es más exigente en cuanto a la precisión dimensional”.

Tras este proceso, un grupo de especialistas del Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio realiza inspecciones oculares de la calidad superficial de cada tubo. Tal como contó el ingeniero Bianchi: “En la planta, el personal de fabricación hace lo estrictamente metalúrgico y, simultáneamente, el grupo de control dedica muchas horas a la inspección de cada tubo. Diría que casi las mismas horas que se tardan en fabricarlo, se utilizan para controlarlo. Lo que se hace es verificar visualmente la calidad superficial, identificando la posición y magnitud de eventuales defectos superficiales. O sea, se observa con mucho detenimiento la superficie, con cámaras y sistemas ópticos de amplificación, para verificar que no tenga defectos visibles y, si los tiene, que queden registrados para su posterior eliminación”.

“Estos controles —agregó Bianchi— nos permiten conocer cómo evoluciona nuestro producto, cómo está funcionando la laminadora, y nos permite alimentar los procesos que vienen después. Por ejemplo, le informamos a CONUAR-FAE la ubicación y la magnitud de los defectos que luego serán eliminados mediante los procesos de pulido y/o bruñido”.

Finalizadas las dos etapas de laminación con el acondicionamiento intermedio que realiza CONUAR, los tubos vuelven a la planta industrial para que se les realicen los acondicionamientos superficiales finales y el tratamiento térmico. Para terminar el proceso, se realizan todos los controles de calidad del material externa e internamente con técnicas no destructivas y ensayos de ultrasonido. Si todos los resultados están dentro de la especificación, el producto está terminado.

“El proceso es bastante largo —relata Vizcaino—, gran parte de la materia prima fue llegando a lo largo del año pasado, completándose la provisión a comienzos de este año. En total, son 429 tubos, que fuimos recibiendo en tandas de 20 o 30 unidades y que fuimos laminando a medida que iban llegando”.

Según los especialistas, los dos pasos de laminación que se le aplican a los tubos insumen entre 6 y 8 horas. Pero, luego se suman los procesos intermedios de control para asegurar su calidad y los tiempos de logística, que agregan un porcentaje importante de horas.

La nueva proveedora internacional de tubos de presión CANDU

Vizcaino explicó que los canadienses siguen fabricando tubos de presión, pero es de interés para la empresa AECL contar con proveedores alternativos que puedan cubrir la demanda de este insumo, ya que existen muchas centrales de tipo CANDU en el mundo, y un porcentaje importante de ellas está en proceso de extensión de vida.

“Este tipo de componentes se hacen una vez y duran 30 años en el reactor. No se fabrican en grandes series, como una carrocería de auto. Y como la empresa que originalmente fabricó estos tubos también se dedica a producir otros productos, y tiene una agenda de compromisos que cumplir, si aparecen varias centrales que necesitan reentubarse para extender su vida útil, se les complica cumplir con la provisión y se potencia nuestra posibilidad de posicionarnos como proveedor alternativo”, aseguró Vizcaino.

No hay muchos países en el mundo que puedan hacer este trabajo, además de Canadá, Estados Unidos, Rusia e India. En este último caso, por ejemplo, han desarrollado un rector similar al CANDU y fabrican sus propios tubos de presión. “Pero no hay otra laminadora similar a la instalada en CNEA en América Latina”, destacó Vizcaino.

Gracias a estos desarrollos y al constante trabajo del Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio y de la CNEA, en consonancia con la empresa CONUAR-FAE, se logró certificar en 2012 la tecnología para fabricar tubos de presión, convirtiéndose así en el primer proveedor alternativo de este componente. De esta manera, la industria nuclear argentina tiene amplias chances a futuro de posicionarse como exportador de estos insumos para más de 20 reactores CANDU instalados en siete países.

Un grupo con más de 40 años de historia

El doctor David Banchik es uno de los miembros más antiguos del Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio. “El proyecto de Tecnología del Circonio para Reactores de Potencia fue creado por el profesor Jorge Sabato en la década del 70 y, desde sus orígenes, se planificó el empleo de reactores tipo CANDU para la generación de energía eléctrica”, recordó Banchik.

Con este objetivo, profesionales de la CNEA —entre ellos Banchik— fueron enviados a Canadá para especializarse en la tecnología CANDU y así, se iniciaron las actividades relacionadas con el desarrollo de elementos combustibles y componentes estructurales. En este sentido, en 1982 se adquirió una laminadora de tubos de calidad para el proyecto de desarrollo de tubos de presión, a cargo del ingeniero Almagro.

Banchik explicó: “De forma paralela, desde 1988 estamos estudiando el efecto de la irradiación en la microestructura original de la aleación de circonio con que se construyen los llamados Canales de Refrigeración de la Central Atucha I y, en 2006, comenzamos a estudiar el efecto de la radiación sobre los tubos de presión originales y que fueron removidos del reactor luego de más de 12 años de operación”.

“Este tipo de información se recicla en el diseño de ciertos componentes, como los tubos de presión, y en la optimización de la microestructura del material. El estudio de la microestructura y su efecto sobre el comportamiento en operación es similar al estudio de las células en el comportamiento de un órgano vivo”, comparó el especialista.

Sobre el desarrollo de los tubos de presión para Embalse, Banchik comentó: “Nos concentramos en el desarrollo del proceso de deformación plástica y en el estudio microestructural de la materia prima y del material en proceso de deformación plástica. Sobre la base de las características dimensionales obtenidas en los tubos laminados con este proceso de deformación, esperamos mejorar la calidad dimensional”.

Además de estos tubos, el Departamento de Tecnología de Aleaciones de Circonio —que opera en el Centro Atómico Ezeiza y está conformado por unos 23 especialistas de distintas modalidades— también se ha concentrado en el desarrollo de las vainas combustibles para elementos combustibles del CAREM-25, a través del proceso de deformación plástica con laminadora HPRT 8-15, y el desarrollo de ensayos mecánicos y metalográficos.