Por David Feliba. En U-238 nº 19 Octubre – Noviembre 2015
Desde hace diez años, los doctores Marcela Mirandou y Sergio Aricó trabajan en la investigación y desarrollo del Uranio Molibdeno (U-Mo), desde la Gerencia de Materiales de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) con sede en el Centro Atómico Constituyentes (CAC). En conversación con U-238, Mirandou y Aricó detallaron cómo se trabaja en la investigación del denominado “nuevo combustible disperso” para reactores de investigación y qué contribuciones ha realizado su grupo en la Argentina a la pesquisa global.
Los esfuerzos de la comunidad internacional por minimizar el uso de uranio altamente enriquecido en el sector civil parecieran ir por buen camino. Existen en el mundo distintas clases de reactores de investigación con requerimientos de potencia disímiles que terminan por definir el tipo de combustible a utilizar. En 1989, la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) respondió a las preocupaciones globales de proliferación y reemplazó el combustible del RA-3 por uno de bajo enriquecimiento. No obstante, persisten aún en el mundo una decena de reactores nucleares que adeudan conversión y continúan operando con uranio altamente enriquecido (HEU). Desde hace casi dos décadas, están a la espera de la calificación del Uranio Molibdeno (U-Mo), un nuevo combustible que les permitirá cumplir con los estándares internacionales sin resignar en potencia.
Si bien los aportes significativos de capital y desarrollo tienen lugar entre Estados Unidos y países de la Comunidad Europea, desde el Centro Atómico Constituyentes (CAC) la Argentina ha contribuido significativamente a la pesquisa global. Al respecto, son más de diez años los que la doctora Marcela Mirandou lleva dedicados a la investigación de combustibles base U-Mo para reactores de investigación. Por caso, U-238 conversó con ella y con su colega y compañero de equipo, el doctor Sergio Aricó, acerca de la relevancia de la nueva aleación y el rol de nuestro país en la empresa internacional.
¿Cuál es el puntapié del proyecto a nivel global?
Marcela Mirandou: Surge a partir de la creación del programa internacional de reducción de enriquecimiento de uranio para reactores civiles (RERTR) el cual estipula que el nivel de enriquecimiento en los combustibles para los reactores de investigación debe bajar por razones de no proliferación de armas nucleares. Precisamente, esa merma en el enriquecimiento implica calificar una aleación combustible con mayor densidad de Uranio que las actualmente calificadas. Entonces, la comunidad científica internacional empezó a investigar sobre nuevas aleaciones que favorecieran el objetivo (menos del 20%) al reducir la cantidad de Uranio 235 en la composición del combustible nuclear. A partir de esas investigaciones en distintos lugares del mundo es como se llega al U-Mo como la principal candidata a la nueva aleación combustible.
Sergio Aricó: Nace a partir de la demanda de un nuevo combustible a mediados de los 90. En el fondo, lo que el mundo necesita es un producto nuevo. Esto hace que se entre globalmente en una suerte de competencia, donde el que logre fabricar se convertirá casi automáticamente en proveedor internacional.
En términos técnicos, ¿de dónde surge la necesidad de contar con este nuevo producto?
Mirandou: Hay varios tipos de reactores y distintas solicitaciones de potencia en cada uno de ellos. No todos tienen el mismo flujo neutrónico. Precisamente, en función de esa solicitación es el tipo de combustible que se necesita. Para el caso, hay etapas o categorías de combustible y (la industria nuclear) ha pasado ya por sus distintos tipos. A saber, hay cuatro aleaciones, cada una un poquito más densa que la anterior, con más átomos de uranio en el mismo cubito y con mayor fisión: el aluminuro de uranio, el óxido de uranio, el siliciuro de uranio y el uranio molibdeno, que es la que aún adeuda calificación y el combustible al que se aspira en última instancia.
La idea es, precisamente, no usar las aleaciones al 90, sino ir pasando hacia la aleación más densa sin quitarle eficiencia al reactor. Por ejemplo, un reactor que opera con un combustible a base de aluminuro de uranio altamente enriquecido, puede reconvertir su núcleo y pasar a operar con un combustible de óxido de uranio levemente enriquecido y funcionar de la misma manera. Ahora, si el reactor es de mayor potencia, el óxido al 20 no va a resultar suficiente y la solicitación del reactor demandará una aleación aún más densa como es el siliciuro. No obstante, hay reactores en el mundo a los cuales el mismo siliciuro al 20 no les alcanza, por lo que siguen trabajando al 90. Es decir, reactores que ya pasaron por un aluminuro y un óxido hasta un siliciuro, pero con un enriquecimiento al 90. Estos últimos reactores son precisamente los que sí o sí necesitan una aleación aún mejor o de mayor densidad para seguir funcionando con la misma eficiencia: el U-Mo.
Aricó: Bajar el enriquecimiento manteniendo la densidad de uranio, es penalizar las fisiones en el combustible. Lo que se busca, entonces, es aumentar la densidad del combustible para equilibrar estas fisiones a través de las distintas aleaciones que recién mencionó Marcela.
¿Cuáles son las distintas fases que requeriría la calificación del U-Mo?
Aricó: La calificación consta de tres etapas. La primera es la investigación básica. Es decir, probar el elemento “A” con el elemento “B” y ver cómo reacciona ante una solicitación particular. Es ahí donde se inicia nuestro trabajo, al comenzar a estudiar las interacciones entre uranio, molibdeno, aluminio y silicio. Agrego silíceo, quito silíceo. Es una etapa de nunca terminar porque ante cualquier problema uno está obligado a volver al principio es decir, reorientar los ensayos. Toda la información y conocimiento recolectado, en paralelo con los aportes de la comunidad internacional, te brindan entonces capacidad y herramientas para pasar al segundo estadio: una primera prueba del producto concreto. Desde el 2011, entonces, empezamos a interactuar con el ECRI, la planta de fabricación de elementos combustibles para reactores de investigación. Tiene una dinámica propia de proceso industrial donde se busca fabricar el producto a una escala menor, es decir, una placa combustible a escala laboratorio. La tercera y última etapa consta del estudio del comportamiento de esa placa tamaño real bajo irradiación.
Mirandou: Mediante la investigación básica uno fabrica modelos de muestras, llamados pares de difusión, que le permiten al investigador obtener un montón de conocimiento. Una vez que lo tenés, la ECRI lo fabrica. De toda la experiencia, solicito entonces al fabricante que este último producto tenga cinco características determinadas. Se hacen pruebas, se logran dos. Se modifican, se logran tres. ¿Cómo determinamos que son esas cinco las correctas? De nuestra experiencia en la primera fase, que nos aporta el background necesario para asignar temperaturas, tiempos, porcentajes de concentración de algún elemento químico en particular.
A partir de ahí, entonces, la tercera y última etapa es ver cómo funcionan los pares de difusión bajo irradiación. ¿Para qué quiero saber eso? Por si alguna vez tengo la voluntad o necesidad de comercializarlo. Precisamente, esta fase final involucra decisiones institucionales que ya trascienden nuestro trabajo. El producto ya está para etapa de irradiación, pero eso dependerá de si la CNEA tiene interés o no en ser productora o vendedora de este. Sino, en principio, es conocimiento que queda ahí. Este puede ser aplicado ahora, mañana, en unos años o quizás nunca. En ese sentido, permanecerá almacenado en la biblioteca hasta que surja la necesidad. Pero esa es una gráfica bastante precisa de lo que es el trabajo de un investigador: un fabricante de conocimiento.
¿Qué países en el mundo están más avanzados en torno a la calificación?
Mirandou: La realidad es que es un poco una carrera, porque el que califica, vende. Y vender el núcleo de un reactor nuclear no es trivial. Dentro de lo que es un combustible completo, uno primero necesita fabricar particulitas de la aleación combustible. No es fácil, y con respecto al U-Mo, el único que las fabrica y vende hoy es Corea. Luego, se debe fabricar la placa y el elemento combustible. Hoy, no hay un fabricante calificado, pero los que están irradiando combustibles con U-Mo (por lo tanto, los fabrican) son Bélgica y Francia. En realidad, es un conjunto de estados europeos con aportes de capital de Estados Unidos. Ellos están en una tercera etapa muy avanzada, y en parte se debe a que son los países más interesados en que el U-Mo califique. Si el resto de los países logra la calificación, bienvenido sea, bienvenido sea, pero aún no les resulta una necesidad primaria. De hecho, nuestro reactor de investigación RA-10, muy moderno y de aceptable potencia (15MW), está pensado para trabajar con siliciuro de bajo enriquecimiento, que alcanza perfectamente. Ahora en Estados Unidos y Europa hay reactores de 80 a 100 MW a los que el siliciuro al 20 les resulta insuficiente.
¿Cuál fue el aporte significativo de Argentina a la comunidad internacional?
Mirandou: Nuestros aportes terminan siendo relevantes en lo que hace a la investigación básica por fuera del reactor. Ahí es donde somos más fuertes, ya que los otros países como Estados Unidos o el Grupo Europeo están más avocados a lo que es irradiación. Al respecto, hemos contribuido con conocimiento acerca de cómo reacciona el U-Mo cuando entra en contacto con aleaciones de aluminio puro o aluminio con silíceo. Esto es muy relevante a la hora de fabricar un elemento combustible, ya que el la aleación del combustible —el UMo— está en contacto íntimo con las aleaciones, de aluminio que componen el resto de la placa combustible. Nuestros descubrimientos en ese campo fueron muy importantes e internacionalmente reconocidos a la hora de explicar cómo se comporta el U-Mo en ese entorno.
Desde 1996 que el mundo habla de esta nueva aleación. ¿Por qué no está aún lista la calificación del U-Mo?
Mirandou: En un comienzo, los primeros ensayos internacionales de irradiación mostraron resultados satisfactorios. Sin embargo, en el año 2004, se observó un mal comportamiento bajo irradiación en respuesta a ensayos de mayor solicitación. Fue por esa razón que se produjo un parate total de la calificación y, en consecuencia, una vuelta hacia atrás, a partir de la cual todos los que nos dedicamos a hacer investigación básica volvimos a sumar conocimientos y ese fue el momento donde hicimos nuestro aporte más grande.
Si Argentina ya hizo los niveles en términos de enriquecimiento de uranio, ¿por qué es que apuesta a una nueva aleación?
Mirandou: ¡Porque se construyen muchos reactores año a año en el mundo! Entonces, ya uno puede pensar su núcleo como uno mucho más eficiente si empieza con una aleación más densa (como el U-Mo). En ese caso, a lo mejor el elemento combustible adentro en vez de durar un trimestre te dure seis meses o un año. Son muchas las cuestiones a tener en cuenta, ya que también aparece la variable del reprocesamiento. ¿Cómo desarmo este elemento irradiado? No es lo mismo reprocesar algo hecho de un siliciuro de uranio que de U-Mo. El primero es mucho más complicado y constituye otra de las finas ventajas que aportaría desde muchos lugares el hecho de poder calificar el U-Mo.
Como investigadores, ¿cómo se debe gestionar el conocimiento adquirido frente a la comunidad internacional?
Mirandou: La idea de nuestra investigación, sea básica o aplicada, teórica o experimental, siempre es publicar. En un congreso, en revistas de prestigio mundial; la biblioteca de conocimiento que uno genera no es propia, sino compartida con el foro internacional. Que otros usen tus resultados para defender los propios, que referencien tu trabajo en su último aporte. Eso es lo que te da un poco el renombre o la confirmación del progreso de
tu trabajo.
Aricó: El producto final es presentar un resultado que la comunidad internacional acepte y reconozca, lo que quiere decir que estás en el camino correcto. Desde el punto de vista de la investigación, es común compartir la información entre todos los grupos. Después, no obstante, el verdadero objetivo de fabricar es cómo se aprovecha ese conocimiento global disponible para formar el producto. Cómo se junta, se mezcla y se llega al producto final, esa es la parte que no se publica. Siempre el cocinero se guarda algún secreto…
Mirandou: Precisamente, la planta ECRI es fabricante y vende combustibles. Entonces, uno no publica el proceso de fabricación. No da los detalles finos porque eso ya forma parte del KnowHow propio, y eso no se regala a cualquiera. Por ejemplo, uno podría decir: “dos muestras hechas de la misma manera, con temperatura y laminación, fabricadas con U-Mo y siliciuro de uranio, presentan estas características determinadas». Ahora, lo que no decís, precisamente, es cuántas pasadas de laminación, ni a qué temperatura…
Currículum Vitae
Marcela Mirandou es Licenciada en Física (UBA) y Doctora en Ciencia y Tecnología de Materiales (Instituto Sábato). Trabaja en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) desde 2002 y actualmente se desempeña como investigadora de la Gerencia de Materiales. Se especializa en combustibles de alta densidad y, en particular, la aleación de Uranio Molibdeno (U-Mo), un tema al que recurrió en su tesis de magíster y que luego nunca abandonó. Hoy, desde el Centro Atómico Constituyentes, lleva ya unos trece años avocada al desarrollo del U-Mo y ha disertado en múltiples congresos científicos en varias de las capitales del mundo.
A su vez, Sergio Aricó comparte un recorrido académico prácticamente idéntico: es Licenciado en Física (UBA) y también doctor en Ciencia y Tecnología de Materiales (Instituto Sabato). Hoy, se desempeña como Investigador y Jefe de la División Transformaciones de Fase, dentro de la Gerencia de Materiales de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). “Desde que salí de la universidad tenía completamente decidido que quería terminar aquí”, dice.
Metodología de trabajo: el día a día en la vida de un investigador nuclear
¿Quién dijo que el trabajo de un investigador es rutinario? Según describen Marcela Mirandou y Sergio Aricó, de la CNEA, sus quehaceres en el año se podrían englobar en tres etapas bien diferenciadas: investigación en laboratorio, la unificación, discusión y análisis de información dispersa recolectada y, finalmente, y quizás mayormente gratificante, la producción formal de conocimiento potable para disposición de la comunidad científica.
En ese sentido, una gran parte del año los encontrará en el Laboratorio Clase 2 del Centro Atómico Constituyentes, una “oficina laboral” que requiere de una licencia renovable si uno quiere poner un pie allí dentro. Allí, cuentan, aplicarán tratamientos térmicos, cortes y pulidos para fabricar las muestras que irán luego a los distintos equipos de análisis. Cuando los congresos se acercan, pasarán—mates de por medio— buena parte de su tiempo en uno de los despachos agrupando y evaluando el conocimiento recolectado. En ese sentido, la bibliografía estará al alcance en todo momento.
Para cuando se avecina la fecha de los eventos internacionales, será la hora entonces de prepararse para la exposición que hace a la biblioteca de conocimiento mundial. La comunidad internacional no tiene, sin embargo, tiempo para todo. La densidad deberá estar esta vez ya no tanto en los materiales que desarrollan, sino en la compactación de palabras. En tan sólo diez minutos, deberán explicarles a sus colegas foráneos lo que han hecho en sus trabajos durante todo un año.
