Volumen II - SAM

Congreso SAM/CONAMET 2009 Buenos Aires, 19 al 23 de Octubre de 2009
ESTUDIO DE LA POROSIDAD EN PASTILLAS DE UO2 PARA LA OPTIMIZACIÓN
DEL SINTERIZADO EN LA PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES PARA PHWR
RESUMEN
F. Kaufmann (1)
(1) División Combustibles Avanzados – Unidad de Actividad Combustibles Nucleares
Comisión Nacional de Energía Atómica
Av. General Paz 1499 (B1650KNA) San Martín - Pcia. de Buenos Aires, Argentina.
Desde el punto de vista tecnológico, el interés de controlar la porosidad de pastillas de UO2 surge de los
requerimientos en operación de los reactores nucleares que las utilizan como combustible. En la fabricación
de las pastillas de UO2 se controla la porosidad y la microestructura final en la última etapa de sinterizado.
En la literatura, los modelos que describen el problema no acuerdan en cuál es el mecanismo de sinterizado
dominante y en consecuencia, en el comportamiento de la cinética de la porosidad.
Se midió la evolución de la porosidad y el tamaño medio de grano en pastillas de UO2 (exAUC) en la etapa
final de la sinterización en función de temperatura y tiempo, compatibles con los parámetros de fabricación
industrial para los combustibles de los PHWR.
A partir de estas mediciones y del análisis cualitativo de micrografías de las pastillas, se estudiaron los
modelos de este problema y se calculó el coeficiente de difusión.
Los análisis dieron por resultado un buen acuerdo tanto con el modelo propuesto por Coleman–Beeré que
plantea como dominante la difusión en borde de grano y con el coeficiente de difusión en borde de grano
calculado experimentalmente por Burton–Reynols.
Palabras claves: sinterizado, porosidad, UO2, AUC
1. INTRODUCCIÓN
El comportamiento de la porosidad en pastillas cerámicas de UO2 es de interés tecnológico debido a su
utilización como combustible nuclear.
La necesidad de controlar la porosidad de las pastillas de UO2 surge de los requerimientos en operación del
combustible, entre los que se pude mencionar [1]:
- para obtener una alta tasa de fisiones, es necesaria alta densidad del material.
- la extracción de calor depende de la conductividad térmica, que está condicionada entre otros factores, por
la distribución de porosidades que posee la pastilla.
- el fenómeno de densificación térmica asistido por irradiación va a depender de la distribución de porosidad
y de la localización respecto del grano de esta porosidad.
- la necesidad de que los poros, en particular los intragranulares, funcionen como una primera barrera para
los gases de fisión.
El sinterizado es el proceso mediante el cual polvo, luego de prensado, es densificado a temperaturas por
debajo del punto de fusión. La etapa final del sinterizado, en la cual nos concentraremos, se alcanza cuando
la porosidad se transforma en una fase discontinua. En consecuencia, esta etapa está caracterizada por una
estructura de poros aislados y una eliminación de la porosidad abierta, dando lugar a una alta densificación
del material.
En el caso del UO2, el sinterizado es un proceso que en la última etapa es controlado por difusión. Como la
velocidad de difusión de O es muy alta, la velocidad de difusión de U es la que controla el proceso en UO2.
Todos los modelos que se han planteado para describir esta etapa toman como premisa que el sinterizado es
controlado por difusión, pero difieren en considerar cuál es el mecanismo predominante: si la difusión en
volumen o por borde de grano.
Los modelos de Coble [2] y Rosolowski-Greskovich [3] plantean como dominante la difusión en volumen y
los de Burton-Reynolds [4], Coleman-Beeré [5] y Kang-Jung [6] por borde de grano.
El estudio de la etapa final del sinterizado se lo aborda con el objetivo predecir el comportamiento de las
pastillas de UO2 en la fabricación y por tanto se trabajo a temperaturas y tiempos cercanos a los parámetros
de producción industrial.
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