OBTENCION DE MICROPARTICULAS POR MEDIOS FISICOS Y SU UTILIZACION EN COMBUSTIBLES NUCLEARES Cabanillas, E.D.1 CONICET y Gerencia del Ciclo de Combustibles CNEA [email protected] y [email protected]

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RESUMEN Se presentan en este trabajo una serie de dispositivos destinados a producir micro y nanopartículas para combustibles nucleares empleando procesos físicos no convencionales tales como electroerosión, plasma de corte, láser de corte, horno de arco y corte por chorro de agua. ABSTRACT In this work are exhibited several designs for the production of micro and nanoscopic particles to be used as nuclear fuels for research reactors, like: electroerossion, laser cutting, plasma cutting, arc oven, and water cutting. INTRODUCCION Los métodos que se presentan en este trabajo se pueden dividir de acuerdo a las características físicas de los procesos involucrados. En la tabla pueden apreciarse los distintos procesos que se han estudiado y se presentan en este trabajo. Uno solo se ha probado con material radioactivo. Los demás están en proceso de verificación de uso y salvaguardas. Arco eléctrico

Electroerosión Horno de Arco

Con entrega de calor

Sin entrega de calor

Plasma de corte Onda electromag nética

Láser de corte

Medios mecánicos

Amoladora

Erosión con o sin abrasivos

Chorro de agua

Los señalados con entrega de calor producen partículas esféricas pues se llega a temperaturas 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 esféricas respondiendo a mínimos de energía superficial. En el caso del plasma de corte y láser de corte, el material fundido es expulsado al medio por gas a presión y se esferoidiza por el mismo principio físico mencionado. En el caso del horno de arco se fuerza a la evaporación del metal disminuyendo la presión interior de la cámara con lo cual se baja la temperatura de vaporización del metal, ese vapo en parte se adhiere en las paredes del horno, donde se enfría y esferoidiza. La electroerosión, plasma y horno el calor es producido por una descarga eléctrica causada por la ionización del medio que separa el material y la herramienta o torcha. En el último caso sin entrega de calor por parte de fuente externa de energía se tienen dos procesos distintos, el de corte por agua y los de corte de virutas por máquinas de

corte mecánico, pueden ser tornos, amoladoras etc. Experiencias realizadas Electroerosión Por medio de la electroerosión se

Figure 1 Reactor para electroerosionar con líquidos produjeron partículas esféricas de UMo en agua pura como dieléctrico, 3 pero hubo una oxidación de las partículas, se probó usando N2 líquido, en este caso se experimento con Fe puro, obteniéndose partículas levemente

Fig 3 Caja láser contaminadas con N 4. Se diseñó un dispositivo para usar Ar líquido, Ver Fig.1

Láser de corte En el caso del láser, se trabajó con los desechos que las máquinas de corte por láser de potencia producen, se analizó una cantidad de 3 kg de polvo de Fe, se tamizó y estudió por RX, SEM, TEM y densitometría, 5. Lo interesante de este material es Fig. 2 camarita láser que son partículas esféricas huecas en su mayoría y con muchas rajaduras internas, se hizo un estudio muy detallado por tamaños y se observó también la existencia de nanopartículas esféricas, 6 7. La composición de las mismas fue de óxidos de Fe, abundante Fe3O4. Se hidruró una cantidad de este material obteniéndose una reducción del O2 y las partículas mantuvieron la forma y modificaron obviamente algunos parámetros como la densidad y área específicas pero siendo ahora de Fe puro 8. Se preparó un dispositivo para ablacionar con láser en atmósfera controlada, y hasta ahora sólo se hicieron dos pruebas, una en la CNEA 9 Fig. 2 y 3, y otra presentada a esta reunión. El método se halla patentado.

Plasma de Corte Este proceso es semejante al de láser de corte pero con la desventaja que no puede controlarse la producción y la distribución de tamaños. Se estudió una cantidad de partículas obtenidas en la industria y se obtuvieron los mismos resultados que los observados con láser de corte. Este proceso es mucho más económico que el de láser por el costo de los equipos. En nuestros laboratorios se probó en una cámara ad-hoc trabajar con Ar, y con He, Fig. 4. Con esta experiencia se diseñó un equipo consistente en una doble tolva y una cámara posible de operar con gases inertes para obtener partículas con muestra rotante o fija, Fig. 5 este equipo permitirá escalar la producción y atender medidas para evitar contaminación. Horno de Arco Se hicieron pruebas con este método usando Fe puro y un intento de producir partículas de UMo pero sin buenos resultados, [10 ]

Fig 4. Cámara plasma 1

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

Fig. 6 Detalle dispositivo plasma obtener partículas de materiales radioactivos pero es muy contaminante, [11]

Figure 5 virutas agua

Viruteado Con máquinas de amolar y agujereadoras se

Fig. 5 Dispositivo para producir parts. con plasma

tomaron algunas muestras de los residuos, es una alternativa interesante y fácil de poner en funcionamiento, CONCLUSIONES En resumidas cuentas consideramos que estos procesos sirven para la producción de partículas de UMo en la composición adecuada, y que controlando las variables de cada caso se controlará la distribución de tamaños. AGRADECIMIENTOS Se agradece al PICT O1165 de la Agencia de Investigaciones Científicas del Ministerio de Ciencia Tecnología e Innovación Productiva el suministro de la mayoría de los fondos para la realización de parte de este trabajo, asimismo a los técnicos de la CNEA que ayudaron a sortear difíciles problemas de diseño y construcción de los dispositivos empleados en este trabajo. BIBLIOGRAFIA [1]. Tesis doctoral: Facultad de Ciencias Exactas, UNLP, 1997. "Modificación de Superficies de Láminas de Hierro por Electroerosión". [2]. "Morphology and phase composition of particles produced by electro-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 spark erosion", E. D. Cabanillas, M. López, and D. J. Cirilo, Journal of Nuclear Materials, 324 (2004) 1-5. [4]. TEM and SEM Studies of Micro and Nanoparticles Obtained by Electroerosion Discharge Machining Process Liquid N2. E.D. Cabanillas; M.S. Granovsky and M.J. Ratner. Acta Microscopica; 19 2 (2010) 190-195. [5]. "Microscopic Spheroidal Particles Obtained by cutting laser Process" E. D. Cabanillas, M. Creus and R. C. Mercader, Journal of Materials Science Letters 40 (2005) 519-522. [6]. "Transmission Electron Microscopy Observation of Nanoparticles 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 and E. D. Cabanillas. "Characterization of scraps produced by the industrial laser cutting of steels" Hyperfine Interactions, Volume 195, Numbers 1-3 / 2010 249-255. [8]. L. A. Cano; M.V. Cagnoli; S.J. Stewart, E.D. Cabanillas; E.L. Romero and S.G. Marchetti. "Synthesis and Characterization of superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles for bio-medical applications" Hyperfine Interactions, 195, Numbers 1-3 / January 2010 pg. 275-280.

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