OBTENCION DE MICROPARTICULAS POR MEDIOS FISICOS Y SU UTILIZACIONEN COMBUSTIBLES NUCLEARES

Cabanillas, E.D.1

1 CONICET y Gerencia del Ciclo de Combustibles CNEAcabanill@cnea.gov.ar y ecabanill@yahoo.com

RESUMENSe presentan en este trabajo una serie de dispositivos destinados a producir micro ynanopartículas para combustibles nucleares empleando procesos físicos noconvencionales tales como electroerosión, plasma de corte, láser de corte, horno dearco y corte por chorro de agua.

ABSTRACTIn this work are exhibited several designs for the production of micro and nanoscopicparticles to be used as nuclear fuels for research reactors, like: electroerossion, lasercutting, plasma cutting, arc oven, and water cutting.

INTRODUCCIONLos métodos que se presentan en este trabajo se pueden dividir de acuerdo a lascaracterísticas físicas de los procesos involucrados. En la tabla pueden apreciarse losdistintos procesos que se han estudiado y se presentan en este trabajo. Uno solo se haprobado con material radioactivo. Los demás están en proceso de verificación de uso ysalvaguardas.

Con entrega decalor

Arco eléctrico Electroerosión

Horno de Arco

Plasma de corte

Onda electromagnética

Láser de corte

Sin entrega decalor

Medios mecánicos Amoladora

Erosión con o sinabrasivos

Chorro de agua

Los señalados con entrega de calor producen partículas esféricas pues se llega atemperaturas de fusión donde el material es fundido. En el caso de la electroerosión, 12,el fundido explota y salpica dentro del dieléctrico en forma de gotas esféricasrespondiendo a mínimos de energía superficial. En el caso del plasma de corte y láserde corte, el material fundido es expulsado al medio por gas a presión y se esferoidizapor el mismo principio físico mencionado. En el caso del horno de arco se fuerza a laevaporación del metal disminuyendo la presión interior de la cámara con lo cual se bajala temperatura de vaporización del metal, ese vapo en parte se adhiere en las paredesdel horno, donde se enfría y esferoidiza. La electroerosión, plasma y horno el calor esproducido por una descarga eléctrica causada por la ionización del medio que separael material y la herramienta o torcha.En el último caso sin entrega de calor por parte de fuente externa de energía se tienendos procesos distintos, el de corte por agua y los de corte de virutas por máquinas de

Fig 3 Caja láser

corte mecánico, pueden ser tornos, amoladoras etc.

Experiencias realizadasElectroerosiónPor medio de la electroerosión se

produjeron partículas esféricas de UMo enagua pura como dieléctrico, 3 pero hubo unaoxidación de las partículas, se probó usandoN2 líquido, en este caso se experimento conFe puro, obteniéndose partículas levemente

contaminadas con N 4. Se diseñóun dispositivo para usar Ar líquido,Ver Fig.1

Láser de corteEn el caso del láser, se trabajócon los desechos que lasmáquinas de corte por láser depotencia producen, se analizó unacantidad de 3 kg de polvo de Fe,se tamizó y estudió por RX, SEM,TEM y densitometría, 5. Lointeresante de este material esque son partículas esféricashuecas en su mayoría y con

muchas rajaduras internas, se hizo un estudio muy detallado por tamaños y se observótambién la existencia de nanopartículas esféricas, 6 7. La composición de las mismasfue de óxidos de Fe, abundante Fe3O4. Se hidruró una cantidad de este materialobteniéndose una reducción del O2 y las partículas mantuvieron la forma y modificaronobviamente algunos parámetros como la densidad y área específicas pero siendoahora de Fe puro 8. Se preparó un dispositivo para ablacionar con láser en atmósferacontrolada, y hasta ahora sólo se hicieron dos pruebas, una en la CNEA 9 Fig. 2 y 3, yotra presentada a esta reunión. El método se halla patentado.

Figure 1 Reactor paraelectroerosionar con líquidos

Fig. 2 camarita láser

Figure 5virutasagua

Plasma de Corte

Este proceso es semejante al de láser de cortepero con la desventaja que no puede controlarsela producción y la distribución de tamaños. Seestudió una cantidad de partículas obtenidas en laindustria y se obtuvieron los mismos resultadosque los observados con láser de corte. Esteproceso es mucho más económico que el de láserpor el costo de los equipos. En nuestroslaboratorios se probó en una cámara ad-hoctrabajar con Ar, y con He, Fig. 4. Con estaexperiencia se diseñó un equipo consistente enuna doble tolva y una cámara posible de operarcon gases inertes para obtener partículas conmuestra rotante o fija, Fig. 5 este equipo permitiráescalar la producción y atender medidas paraevitar contaminación.

Horno de ArcoSe hicieron pruebas con este método usando Fepuro y un intento de producir partículas de UMopero sin buenos resultados, [10 ]

Chorro de AguaSe trabajó con los barros de las máquinas de corte por agua de CONUAR, y seobservó que se encuentran partículas microscópicas del material cortado amén delabrasivo, este método podría usarse para

obtener partículas de materiales radioactivospero es muy contaminante, [11]

ViruteadoCon máquinas de amolar y agujereadoras se

Fig 4. Cámara plasma 1

Fig. 5 Dispositivo paraproducir parts. con plasma

Fig. 6 Detalle dispositivo plasma

[1]. Tesis doctoral: Facultad de Ciencias Exactas, UNLP, 1997."Modificación de Superficies de Láminas de Hierro porElectroerosión".

[2]. "Morphology and phase composition of particles produced byelectro-discharge-machining of iron" E. D. Cabanillas, E. E.Pasqualini, J. Desimoni, R. C. Mercader. M. López and D. Cirilo,Hyperfine Interactions 134 (2001)179-185.

[3]. "Production of uranium-molybdenum particles by sparkerosion", E. D. Cabanillas, M. López, and D. J. Cirilo, Journalof Nuclear Materials, 324 (2004) 1-5.

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[5]. "Microscopic Spheroidal Particles Obtained by cutting laserProcess" E. D. Cabanillas, M. Creus and R. C. Mercader, Journalof Materials Science Letters 40 (2005) 519-522.

[6]. "Transmission Electron Microscopy Observation ofNanoparticles Obtained by Cutting Power Laser". E. D. Cabanillas,Journal of Materials Science Letters 39 (11) (2004) 3821-3823.

[7]. R. C. Mercader; S.G. Marchetti; J.F. Bengoa; G. Punte andE. D. Cabanillas. "Characterization of scraps produced by theindustrial laser cutting of steels" Hyperfine Interactions,Volume 195, Numbers 1-3 / 2010 249-255.

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tomaron algunas muestras de los residuos, es una alternativa interesante y fácil deponer en funcionamiento,

CONCLUSIONESEn resumidas cuentas consideramos que estos procesos sirven para la producción departículas de UMo en la composición adecuada, y que controlando las variables decada caso se controlará la distribución de tamaños.

AGRADECIMIENTOSSe agradece al PICT O1165 de la Agencia de Investigaciones Científicas del Ministeriode Ciencia Tecnología e Innovación Productiva el suministro de la mayoría de losfondos para la realización de parte de este trabajo, asimismo a los técnicos de laCNEA que ayudaron a sortear difíciles problemas de diseño y construcción de losdispositivos empleados en este trabajo.

BIBLIOGRAFIA

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[10]."Observación por microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas obtenidas enhorno de arco", E. D. Cabanillas, Iberomet IX, La Habana, Cuba, del 8 al 13 de octubre de2006, ISBN: 959-282-26-1.

[11].2010 Micro and Nano Particles Produced by Waterjet Abrasion, E.D. Cabanillas. ActaMicroscópica 19 1 2010 105-108.