El Paul Scherrer Institute utiliza una nueva tecnología de imagen por rayos X para detectar la corrosión interna del revestimiento de combustible nuclear

Los investigadores del Paul Scherrer Institute (PSI) de Suiza emplearon una nueva tecnología de imagen por rayos X para realizar una inspección tridimensional de la corrosión interna del material de revestimiento de las varillas de combustible nuclear, identificando poros de hasta 80 奈米. El estudio examina si la capa protectora alrededor de las varillas de combustible sigue siendo eficaz tras años de exposición al agua de refrigeración y a la radiación. El equipo de investigación utilizó muestras de tubos de revestimiento procedentes de la operación de una central nuclear y, mediante la Swiss Light Source del PSI, mapeó su estructura interna. Los resultados muestran que estos tubos mantuvieron su estanqueidad durante el servicio y que las mediciones indican que la capa protectora de óxido sigue desempeñando su función.

Estos hallazgos ayudan a evaluar la seguridad de las varillas de combustible y a determinar si las pruebas de corrosión de laboratorio tradicionales reflejan con precisión el comportamiento de los materiales bajo condiciones de reactor. El comunicado no especifica cuándo se realizaron los experimentos.

Inspección de la corrosión del material de revestimiento

El material de revestimiento de las varillas de combustible debe permanecer estanco durante el funcionamiento del reactor, a pesar de que las condiciones del entorno pueden provocar corrosión. Por ello, los investigadores necesitan conocer la velocidad de formación de la capa de corrosión y su porosidad. Estos tubos de revestimiento suelen contener más del 98 % de circonio, con pequeñas adiciones de otros metales para mejorar sus propiedades. El material de revestimiento envuelve los gránulos de dióxido de uranio apilados, formando las varillas de combustible utilizadas en los reactores nucleares. El estudio reúne tres centros de investigación internos del PSI, que abarcan la ingeniería nuclear, la ciencia de fotones y la ciencia de neutrones y μ子. En el laboratorio en caliente del instituto, el personal utiliza una sierra de precisión dentro de una cámara blindada para cortar láminas finas como tejas de revestimiento de varillas de combustible ya utilizadas, y luego emplea un haz de iones enfocado para mecanizar el material en forma de cilindros.

Las muestras provienen de la capa de óxido de circonio que se forma en la superficie del revestimiento durante el funcionamiento.

El autor principal, Okan Yetik, declaró: «Finalmente, el diámetro de nuestros pequeños cilindros de óxido de circonio es de apenas 20 微米, casi invisibles a simple vista. El grosor de un cabello humano es tres o cuatro veces mayor». Estas diminutas muestras mantienen la emisión de radiación en un nivel lo suficientemente bajo como para permitir su examen fuera de la cámara blindada especializada. El equipo de investigación empleó la tomografía computarizada de rayos X de contraste de fase (ptychographic X-ray computed tomography, PXCT) desarrollada en la Swiss Light Source del PSI para inspeccionar estos cilindros.

El haz de rayos X escanea la muestra punto por punto desde diferentes ángulos, generando una imagen tridimensional de alta resolución de su estructura interna. El coautor Andreas Menzel señaló: «Incluso somos capaces de identificar poros de hasta 80 奈米». Las mediciones también muestran que la capa de óxido conserva su función protectora tras un uso prolongado. La investigadora del PSI, Liliana Duarte, afirmó: «Las mediciones realizadas en la SLS muestran que la capa protectora de óxido de los tubos de revestimiento permanece intacta y sigue desempeñando su función tras años de uso».

Potencial de aplicación de la nueva tecnología

Los investigadores compararon el material ya utilizado con muestras de revestimiento no irradiadas, que fueron expuestas al agua en un autoclave a alta presión y alta temperatura. La densidad de las muestras provenientes del reactor es casi idéntica a la del material del autoclave, lo que respalda el valor de las pruebas de corrosión estándar. Esto significa que los investigadores no necesariamente requieren revestimiento usado para sus investigaciones. Estos hallazgos también pueden ayudar a los operadores a mejorar la química del agua del reactor y a los fabricantes a ajustar aleaciones y tratamientos térmicos. La tecnología abre la posibilidad de inspecciones detalladas similares para reactores modulares pequeños y reactores de fusión nuclear.

Los investigadores han publicado sus hallazgos en la revista Advanced Engineering Materials.

Impacto de la nueva tecnología de rayos X en la seguridad nuclear

El uso de la nueva tecnología de imagen por rayos X para detectar la corrosión del revestimiento de combustible nuclear es crucial para la seguridad nuclear. Este estudio no solo confirma la eficacia del material de revestimiento, sino que también proporciona un nuevo método para evaluar la seguridad de las varillas de combustible. A medida que crece la demanda de energía nuclear, garantizar el funcionamiento seguro de los reactores se vuelve cada vez más importante. Los resultados indican que las pruebas de corrosión tradicionales pueden ser insuficientes para reflejar la situación real, lo que impulsa a la industria a reconsiderar los estándares de inspección de materiales. Además, el potencial de aplicación de esta tecnología no se limita a los reactores existentes, sino que puede extenderse a reactores modulares pequeños y a reactores de fusión, allanando el camino para el futuro desarrollo de la energía nuclear.