Haces de neutrones para mejorar los productos de la industria metalmecánica argentina

Por María Julia Echeverría. En U-238 # 13 Septiembre 14

El RA-10, actualmente en proceso de construcción por especialistas de la CNEA será un reactor multipropósito. La idea es que no sólo sirva para la fabricación de radioisótopos, sino que también incorpore haces de neutrones para utilizarlos en investigación y desarrollo. Algunos de esos haces podrán ser usados en ensayos no destructivos para analizar la calidad de muchos componentes metalmecánicos y mejorar así sus procesos de producción.

El proceso de fabricación de componentes metalmecánicos introduce tensiones residuales “invisibles” que pueden afectar el comportamiento mecánico de las piezas. El conocimiento de estas tensiones residuales permite realizar diseños y piezas más seguros y procesos de producción más eficientes.

Mientras que en nuestro país estas tensiones “invisibles” se miden en forma destructiva (lo que implica destruir la pieza que se quiere estudiar), en el exterior existen precisas técnicas no destructivas con instrumentos que utilizan un haz de neutrones. Por eso, la idea de un grupo de especialistas de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) es instalar un escáner neutrónico que permita realizar este tipo de mediciones en el reactor RA-10, un reactor multipropósito que está siendo desarrollado actualmente por ese organismo.

Tensiones internas o residuales

“Las fuerzas que actúan dentro de un objeto en ausencia de cargas externas se llaman tensiones internas o residuales. Son fuerzas similares a las que existen cuando tenemos un resorte comprimido mediante una traba. Al quitar la traba, el resorte manifiesta esta fuerza, liberando en forma repentina la energía asociada”, explicó el doctor Javier Santisteban, del Departamento de Física de Neutrones del Centro Atómico Bariloche (CAB).

“Estas tensiones residuales —continuó Santisteban— pueden estar presentes en un componente o material sin que nosotros seamos conscientes de ello. Por este motivo, las tensiones residuales influyen en el comportamiento de los componentes mecánicos y pueden afectar su estabilidad estructural, dimensional y su capacidad de resistencia a la fractura”.

Para aclarar un poco el panorama, el especialista ejemplificó: “Imaginemos una fisura que aparece en un componente. Si el material a ambos lados de la fisura está siendo traccionado, la fisura se abrirá y propagará; pero si está en compresión, la fisura tenderá a cerrarse y detenerse. Por esto, un estado de tensión residual de tracción reduce la vida útil de un componente mecánico”.

Las tensiones residuales internas limitan, en consecuencia, la capacidad de carga y la seguridad de los componentes mecánicos y pueden ser contrarrestadas sólo si existe un control que permita la medición de tensiones residuales de forma cuantitativa. El ideal es poder determinar estas tensiones dentro de un componente sin tener que destruirlo o afectarlo.

Santisteban, que además es investigador independiente del CONICET y profesor adjunto en el Instituto Balseiro, explicó que las tensiones residuales aparecen luego de procesos en los que las distintas partes de un objeto se deforman en forma desigual. “Esto puede ocurrir, por ejemplo, al calentarlo o enfriarlo, si aparecen grandes diferencias de temperatura en una distancia muy pequeña (como puede ocurrir al realizar una soldadura). También pueden aparecer al deformarlo mecánicamente, con algunas zonas que se deforman notablemente más que otras debido a una concentración de la carga aplicada. Los procesos de manufactura utilizados en la industria metalmecánica (laminados, estampados, maquinado, soldado, etc.) irremediablemente introducen tensiones residuales. Por esto, los componentes más sensibles son usualmente tratados térmicamente con el objeto de relajar estas tensiones y optimizar sus propiedades mecánicas”, amplió el especialista del CAB.

En síntesis, el conocimiento de las tensiones residuales permite mejorar la calidad de los componentes industriales y perfeccionar los criterios de diseño en muchas aplicaciones. Por ello, existe en la actualidad una gran demanda científica e industrial por mediciones de tensiones internas confiables y de alta calidad.

Hacia inspecciones menos destructivas

Las técnicas más utilizadas para la determinación de tensiones internas son destructivas y, generalmente, es necesario el corte o la perforación del componente a estudiar. Otra técnica muy utilizada se basa en la difracción de rayos X, pero debido a su baja penetración sólo puede medir las tensiones en la superficie del objeto.

Según el doctor Santisteban, el Escáner Neutrónico de Deformación (Neutron Strain Scanner) es actualmente el único instrumento capaz de realizar un mapeo tridimensional del campo de tensiones en el interior de un objeto en forma no destructiva. Con el equipamiento adecuado, es posible incluso medir las tensiones en un componente cuando se encuentre en condiciones de carga y temperatura similares a las que sufriría en operación.

“Un escáner neutrónico —amplió el doctor del CAB— es un instrumento que permite investigar un pequeño volumen en el interior de un objeto, inspeccionándolo con un pequeño haz de neutrones (aproximadamente 2×2 mm2 de sección). Permite mapear tridimensionalmente las tensiones internas dentro del objeto y así obtener información específica acerca de su microestructura, tal como las fases cristalinas que lo componen, la densidad de dislocaciones, o la textura cristalográfica”.

Además de resultar útil para inspeccionar componentes metalmecánicos, el conocimiento de estas propiedades a través de un escáner neutrónico podría servir para asegurar la calidad de componentes importantes de los reactores nucleares, como los tubos de presión de las centrales tipo CANDU. “Además, por su carácter no destructivo, estos equipos también son muy utilizados por los investigadores dedicados al estudio y a la conservación de bienes culturales”, agregó Santisteban.

Un escáner neutrónico en un reactor de investigación

En el Departamento de Física de Neutrones también se está desarrollando un escáner neutrónico con el objeto de instalarlo en el futuro RA-10. En forma paralela, un primer prototipo a menor escala de este equipo está siendo desarrollado en forma conjunta por el Departamento de Física de Neutrones y el Departamento de Física de Reactores y Radiaciones del CAB, con el objetivo de instalarlo en el Reactor RA-6.

“Si bien la tecnología básica del prototipo y el equipo propuesto son similares, el flujo de neutrones disponible en el RA-6 es muchas veces menor que el del futuro RA-10, por lo que la capacidad de inspeccionar el interior de un objeto será mucho más limitada en este caso. Debido al menor flujo, el tiempo necesario para realizar una medición también será mucho mayor en el prototipo”, aclaró Santisteban. “El desarrollo de este prototipo permitirá optimizar las tecnologías de construcción e instalación y, fundamentalmente, iniciar la formación de investigadores y potenciales usuarios en esta novedosa técnica”, aseguró.

Para poder afrontar estos desarrollos, el Departamento de Física de Neutrones del CAB se ha especializado durante varias décadas en la utilización de haces de neutrones en diversos tipos de aplicaciones. El mismo doctor Santisteban, de hecho, ha diseñado y trabajado como responsable de un Escáner Neutrónico de Deformación en Inglaterra (Rutherford-Appleton Laboratory) durante varios años.

Pero, ¿por qué un reactor de investigación debería incorporar un equipamiento de este tipo? “En nuestro país, los usuarios de estas técnicas neutrónicas realizan en forma más o menos habitual experimentos en haces disponibles en fuentes de neutrones en el exterior”, responde el profesor del IB. “Los experimentos realizados son principalmente de índole científico, ya que el acceso gratuito a este tipo de instrumentos es otorgado sólo sobre esa base. Por otro lado, los tiempos involucrados en la logística de tales experimentos son largos (aproximadamente 1 año y medio), lo que dificulta su uso para aplicaciones industriales. Existen algunas fuentes de neutrones a las que se puede acceder rápidamente en forma comercial, pero los costos involucrados son muy grandes: aproximadamente 20000 dólares por día por el uso del haz. La decisión de la CNEA de proveer a nuestro país de un reactor nuclear de última generación (el RA-10), junto con el desarrollo de instrumentos como un escáner neutrónico le abrirá a la industria nacional el acceso a herramientas que hasta este momento se encontraban disponibles sólo en países del primer mundo (Estados Unidos, Japón, Alemania, Australia, Reino Unido, etc.)”, concluyó el especialista.

Reactores nucleares y haces de neutrones

Los neutrones naturalmente forman parte de los núcleos de los átomos. Estos se liberan mediante reacciones nucleares que ocurren en el interior de un reactor nuclear. Por esto, los reactores nucleares pueden considerarse como “fábricas de neutrones”.

Estos neutrones libres tienen varios usos, entre los que destacan:

* En las centrales de potencia, se los utiliza para producir más reacciones nucleares en forma controlada y aprovechar la energía que se libera en las mismas para producir electricidad (por ejemplo, en Atucha y Embalse).

* En los reactores de producción de radioisótopos, estos neutrones se utilizan para transformar algunos elementos en otros, que usualmente emiten radiación (radioisótopos) y que se utilizan principalmente para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades (por ejemplo, el RA-3).

* En los reactores para testeo de materiales, los neutrones se utilizan para conocer cómo responderán los materiales con los que se construyen los reactores nucleares y los combustibles que los hacen funcionar, tras largos tiempos de operación (RA-1, RA-3, RA-10).

* En los reactores de investigación, los neutrones son utilizados para realizar una amplia variedad de estudios científicos (RA-6, RA-10). En algunos casos, se introduce una pequeña muestra con impurezas químicas desconocidas dentro del reactor, y se analiza la radiación que emite dicha muestra al retirarla del reactor.

Esto permite conocer con mucha precisión cuáles son esas impurezas y cuánto hay de cada una. En otros casos, los neutrones que se producen en el reactor son extraídos por conductos y conformados en forma de haces de neutrones. Estos haces son dirigidos hacia el material u objeto que se desea estudiar, y los neutrones transmitidos o dispersados por este son registrados por detectores de neutrones. Como los neutrones no tienen carga eléctrica, estos haces de neutrones son muy penetrantes, es decir, penetran y permiten investigar el interior de un objeto. Utilizar haces de neutrones tiene tres ventajas principales:

1) Se pueden estudiar casi todo tipo de muestras y objetos en forma no destructiva (es decir, sin cortarlo o sacarle un pedacito).

2) Se puede, además, obtener una variedad enorme de información acerca del objeto investigado (qué átomos la componen, qué estructuras forman, cómo se mueven, qué propiedades magnéticas poseen, etc.).

3) Permite estudiar cómo responden los materiales cuando se los calienta, se les aplican fuerzas externas, campos magnéticos o eléctricos, o se los somete a ambientes corrosivos. Todo esto se realiza con el objeto de reproducir las condiciones en las que se encuentra un material cuando está operando dentro de una máquina o dispositivo. A largo plazo, esto permite diseñar y construir máquinas más eficientes y seguras.

Por esta gran versatilidad de los haces de neutrones, muchos países han construido reactores nucleares principalmente dedicados a la producción de haces de neutrones. Ejemplo de ello es el OPAL, diseñado y construido por INVAP para la Australian Nuclear Science and Technology Organization.