CONAMET/SAM 2006 CONTROL DEL CONTENIDO DE HIDRÓGENO EN PELLETS DE ÓXIDO DE URANIO – CALIFICACIÓN DEL MÉTODO DE MEDICIÓN (1) Rubén O. Ríos(1) , Javier J. Palmerio(1), H. Reale(2), Abraham D. Banchik (1) COMISION NACIONAL ENERGIA ATOMICA, BUENOS AIRES, REP. ARGENTINA. (2) CONUAR – FAE. S.A. BUENOS AIRES, REP. ARGENTINA. E-mail: [email protected] RESUMEN Los elementos combustibles utilizados en los reactores de Potencia de la Republica Argentina, usan oxido de uranio natural o ligeramente enriquecido, como material combustible fisil en forma de pellets. Los polvos de oxido sufren un proceso de homogeneizado, compactado, sinterizado y rectificado para transformarlos en pellets. En las distintas etapas del proceso se controlan parámetros físicos: densidad, dimensiones, micro estructura, etc. Al finalizar el proceso de fabricación de pellets de Oxido de Uranio, se requiere controlar el contenido de Hidrógeno Total en el material elaborado. La importancia fundamental de evaluar el contenido de hidrógeno total contenido en los pellets de oxido de uranio utilizados, es motivado por la incidencia negativa del hidrógeno en el comportamiento de los materiales estructurales de los elemento combustibles, construidos en aleaciones de zirconio, por la formación de hidruros y consecuente fragilización de los materiales estructurales y evitar la formación de swelling. El objetivo del presente trabajo es el desarrollo del Método de Medición de Hidrógeno en Pellets de Oxido de Uranio, utilizados en la fabricación de elementos combustibles de las CNA 1 y CNE, utilizando un cromatógrafo Leco RH – 404. Este equipo se emplea normalmente para determinar el contenido de hidrógeno en materiales metálicos en estado liquido y atmósfera inerte. A fin de determinar el contenido de hidrógeno en los pellets sinterizados, de aproximadamente 1 cm de alto 0.8 cm de diámetro, y dado la imposibilidad de fundir las muestras se debió adaptar las condiciones normales de medición a las requeridas por una muestra en estado sólido y de esas dimensiones. En la primera fase se determinaron los parámetros de la medicion, es decir, tiempos de calentamiento, potencia del horno, etc, para evitar la reducción del oxido a metal, asegurar la descomposicion del agua, lograr la extraccion maxima de hidrogeno en las condiciones fijadas experimentalmente. Potencia Optima del Horno= 3100W Tiempo de Calentamiento del Horno= 35seg En la segunda fase se midieron pellets de oxido de uranio, especialmente preparados por CONUAR, con contenidos teóricos conocidos, para comprobar la efectividad de la medición. Para el estudio de la calificacion se procedieron a evaluar los siguientes item: Limite de Detección = 0,068 < 0,1 Exactitud y Precisión = 0,10 < 0,20 Repetibilidad = 5% < 30%. Disociación del agua H %= 95,8 % > 90 % Los valores a la derecha de los ítem son los requeridos por norma. Los resultados obtenidos cumplen los requerimientos para la calificación. Se observa también la capacidad del equipo para medir el contenido total de hidrógeno presente, es decir el hidrogeno contenido en el oxido y el retenido como humedad y/o agua en la superficie y poros del material. La realización de las anteriores fases permiten asegurar el control estadístico de las mediciones de hidrógeno en la producción de pellets de oxido de uranio y verificar que los errores y desviaciones se encuentren dentro de las especificaciones exigidas por las normas. Palabras Clave: Oxido de uranio, Hidrógeno, Cromatógrafo, Fragilización, swelling. 1. INTRODUCCION Las aleaciones de Circonio son utilizadas como materiales estructurales, en los Reactores Nucleares, principalmente en los distintos componentes del núcleo. Los elementos combustibles, son un ejemplo del uso de estas aleaciones, están conformados por un conjunto de tubos, los cuales contienen a los pellets de oxido de uranio. Estos conjuntos estancos, tienen dimensiones y numero de tubos que dependen del reactor en el cual se utilizaran. Las aleaciones de circonio incorporan hidrógeno como consecuencia de las reacciones con el agua y otros mecanismos de corrosión, los cuales pueden ser observados como defectos en los elementos combustibles, tubos de Zry que contienen a los pellets de oxido de uranio, El hidrogeno presente en los pellets de oxido de uranio, está contenido en los poros cerrados y en la red cristalina y proviene de la atmósfera del horno de sinterización. Previo a la sinterización, el compactado presenta una estructura de poros abiertos, que se encuentra en equilibrio con la atmósfera del horno, durante el proceso de sinterización. Al densificarse el material los poros se cierran, atrapando hidrogeno, que es retenido también en la red cristalina. A temperatura ambiente los pellets secos de oxido de uranio sinterizado adsorben en los poros abiertos humedad (agua), estas dos causas son las fuentes principales de hidrogeno, la presencia de compuestos hidrogenados que pueden estar contenidos como impurezas en el oxido también pueden contribuir. Los pellets de oxido de uranio sinterizados presentan una estructura porosa, la cual determina que su densidad sea una fracción de la densidad teórica (aproximadamente 95%). La porosidad puede ser abierta o cerrada. Los poros cerrados ocluyen gases (H2), mientras que los poros abiertos al aumentar el área específica favorecen la absorción de humedad. El contenido de Hidrógeno esta determinado por la porosidad cerrada y el tamaño de grano, mientras que el contenido de agua es consecuencia de la porosidad abierta de los pellets. Los pellets de oxido de uranio se producen por mezcla y homogeneizado de óxidos de uranio, con distintos grados de enriquecimiento en 235U. Posteriormente se prensan y sinterizan en un horno, en atmósfera de hidrógeno a altas temperaturas. En la siguiente Figura se observa un esquema del proceso de fabricación. Figura 1. Esquema de fabricación de los Pellets de oxido de uranio. Los elementos combustibles de los reactores nucleares deben ajustarse a los siguientes requerimientos: • Contenido optimo de material fisionable, según los cálculos de diseño del reactor. • Los pellets de oxido de uranio deben tener alto punto de fusión y gran estabilidad química, sin que se produzcan cambios de fase hasta el punto de fusión. • Limitada interacción con el material del contenedor ( Zry ) y compatibilidad con el refrigerante y moderador (D2O) en caso de rotura de la vaina. • Los pellets de oxido de uranio deben tener alta conductividad térmica y pequeña expansión térmica. • Estabilidad dimensional bajo irradiación y mínima interacción mecánica con el material del contenedor (Zry). • Buena retención de los productos de fisión en la operación y en todas las etapas del elemento combustible. Las características de los pellets de oxido de uranio están relacionados con su fabricación y se pueden subdividir en: • Contenido de material fisionable y contaminante. • Pureza química y estequiometria del oxido. • Densidad y micro estructura de los pellets. • Superficie y geometría de los pellets. Los combustibles para los reactores, usados en la Republica Argentina utilizan UO2, natural con un contenido aproximado 0,711 % p/p de 235 U, o con un enriquecimiento aproximado de 4 % p/p en 235U. La densidad y micro estructura de los pellets están relacionados con el comportamiento del combustible en operación. La estructura del grano puede afectar las propiedades mecánicas del combustible y la cinética de liberación de los gases de fisión, además la estructura de la fase del oxido y la mezcla de óxidos tiene una fuerte influencia sobre los cambios dimensiónales y el comportamiento de los productos de fisión del combustible. Por la relevancia en el comportamiento de los combustibles es necesario evaluar el contenido de hidrógeno total en pellets de oxido de uranio natural o levemente enriquecido en 235U, se utiliza un cromatógrafo Leco RH-404. Para realizar la medición fue necesario rediseñar el método de medición debido a que en la técnica normal de medición, del equipo, la extracción de gases se facilita por fusión del material a analizar y se utiliza aproximadamente 1 g de muestra. Asegurando los resultados de [H] en el orden de 5 ppm o mayores. [5] Uno de los requerimientos exigidos por normas [1], para la medición de los pellets de oxido de uranio es que la masa de los mismos es del orden de 11 g, mínimo, además la extracción se realiza en los pellets sin fraccionar y en estado sólido, sin fusión, debido al elevado punto de fusión del oxido de uranio y no exceder los 2200 ºC en el horno donde se produce la extracción de los gases, a mayores temperaturas se produce la reducción del oxido de uranio a metal, favorecido por las condiciones reductoras del medio. [1], [2], [3]. Asegurando los Resultados de la [H2] en el orden de 1 ppm o menores. También fue necesario evaluar experimentalmente la temperatura del horno en el rango de 1600–1800 ºC para asegurar la descomposición completa del agua presente, y la conversión completa del oxigeno, generado por la disociación del agua, a monóxido de carbono y la liberación de hidrogeno, que será medido. 2. DESARROLLO. 2.1. 0. Equipamiento. Para la medición del contenido de Hidrógeno en los pellets de oxido de uranio se utiliza un medidor de hidrógeno LECO RH 404. Basicamente el equipo consta de un horno de inducción, en el cual por calentamiento de la muestra contenida en un crisol de grafito se extraen los gases que son conducidos por un gas carrier al sistema purificador. El mismo consta de un filtro que retiene los polvos que se pudieron originar por el calentamiento en el horno. Luego atraviesan una serie de columnas que retienen: humedad, convierten el monoxido de carbono a dioxido de carbono, que posteriormente es absorbido por Na OH. El gas carrier y los gases extraídos, purificados atraviesan la columna cromatografica, donde se produce la separación del hidrógeno respecto al nitrógeno. Posteriormente son conducidos a la celda de medición en el cual por diferencia de conductividad térmica, se produce el des balanceo del puente. Esta diferencia de conductividad representa el contenido de hidrógeno en la muestra el cual se presenta como indicación digital. En el siguiente diagrama de flujo, se esquematizan los distintos componentes del equipo medidor. Figura 2. Figura 2. Diagrama de Flujo del Equipo Medidor de Hidrogeno. 2.1.1. Celda Conductividad Térmica. La celda de conductividad térmica es básicamente un puente de Wheatstone, de cuatro resistencias. Por dos de ellas circula solamente el gas carrier (referencia) y por las dos restantes resistencias, una mezcla de gas carrier y el gas a medir. La sensibilidad del sistema se basa en la diferencia de conductividad térmica entre el gas analizado (Hidrógeno) y el gas carrier utilizado como referencia (Argón). Todo el sistema de la Celda se encuentra termostatizado a una temperatura de 45 ± 0,2 ºC, para independizar el valor obtenido, de las variaciones de temperatura ambiente. 2.1.2. Reactivos Químicos. Estas sustancias cumplen la función de purificar los gases extraídos de forma tal que a la columna cromatografica y a la celda de conductividad lleguen solamente el gas carrier e hidrógeno. Tabla I. Tabla I. Reactivos Utilizados. Funciones REACTIVO Lana de Cuarzo Mg ( CLO4 ) 2 Na OH absorbido en silica gel FUNCION Filtrar partículas Absorber agua Absorber CO2 I2O5 absorbido en silica gel Cu Metálico Oxidar CO a CO2 Reductor 2.1.3. Características de Equipo. El equipo utilizado tiene las siguientes características de diseño operativo, indicadas por el fabricante, según se aprecia en la Tabla II. Tabla II. Características del Equipo Peso de Muestra Rango: 0,01-9,9999 g Rango de Medición 0,1 a 250 ppm para 1 g muestra Precisión ± 0,05 ppm o 2% de la lectura Exactitud ± 0,01 ppm o 0,1% de la lectura Sensibilidad 0,01 ppm Tiempo Total de Análisis 3 minutos para 1 g de muestra Por su naturaleza cerámica no es posible fundir la muestra, por esta razón se realizaron evaluaciones para asegurar la máxima extracción, teniendo en cuenta las limitaciones de temperatura para evitar la reducción del oxido y asegurar la completa disociación del agua presente. La masa de la muestra es aproximadamente 11 g. Los resultados son del orden de 1 ppm o menos. 2.2.2. • 2.2.0. Condiciones del Ensayo. Las siguientes condiciones se fijaron, para asegurar la Optima Medición de Hidrogeno: • La extracción de Hidrogeno se debe realizar en un solo trozo de muestra, eliminando los ángulos agudos, en el caso de los pellets, estos no son subdivididos en porciones menores, para evitar que por la manipulación puedan incorporar humedad, la cual afecta los resultados. • No superar en el horno los 2200 ºC de temperatura, a mayores temperaturas se produce la reducción del oxido de uranio a uranio metálico, por las condiciones reductoras del medio. Esto afecta los resultados. • La temperatura del horno debe asegurar la disociación del agua (humedad), si no se disocia, será absorbida posteriormente, en las columnas de purificación. Esto afecta los resultados. 2.2.1. Rediseño del Método de Medición. Debido a que las condiciones normales de extracción del Hidrogeno en las muestras sólidas difieren a las de los pellets de oxido de uranio se adecuaron las mismas. Las condiciones normales para la extracción de hidrogeno, se pueden resumir: • Técnica Normal: La extracción total de los gases en la muestra se realiza por fusión de la misma y en general con el agregado de fundentes, con el objeto de disminuir el punto de fusión de la muestra, estaño, níquel, platino, etc. Esta adición asegura una mayor extracción de los gases a medir. La masa de la muestra es aproximadamente 1 g. Los resultados son del orden de 5 ppm o más. • Rediseño de la Técnica: • • • • Material utilizado. Para la operación diaria es necesario la calibración del equipo, se utilizaron Standard certificados: Leco # 501-529, [H] = 5,8 ± 0,5 ppm Leco # 762-747, [H] = 1,7 ± 0,4 ppm. Para evaluar el límite de detección, del equipo se utilizaron crisoles de grafito, de alta pureza, Leco # 775-433. Para determinar la factibilidad de evaluar el contenido de agua presente, es decir, si en las condiciones operativas se produce la completa disociación del agua, y es factible la medición. de hidrogeno Para ello se utilizo Na2 WO4. 2H2O, p. a. Para corroborar los valores obtenidos con el equipo de Medición Leco, se contrastaron con resultados obtenidos utilizando una Balanza Termo gravimetríca TG. Las muestras utilizadas son pellets de oxido de uranio, natural o ligeramente enriquecido en 235U (ULE), muestreadas al final de la línea de producción de la planta de producción. • Los pellets tienen un tamaño aproximado, según su destino posterior, Central Nuclear Atucha 1 o Central Nuclear Embalse • Dimensiones: 10 x 13 mm y un peso de 11 g aproximadamente 12 x 13 mm y un peso de 14 g aproximadamente 3. Parámetros de Medición. 3.1.0. Ensayos Previos, Como las condiciones de medición no son similares a la técnica normal de operación, fue necesario efectuar verificaciones experimentales para determinar los nuevos parámetros y si los valores obtenidos eran los esperados. 3.1.1. Determinación de la Potencia Óptima del Horno. Debido a las características del material a analizar, y las condiciones que se deben cumplir, señaladas anteriormente, se realizaron mediciones con muestras especialmente preparadas, por CONUAR S. A, con contenidos conocidos de hidrogeno. Estas probetas fueron denominadas alto y bajo concentración de hidrogeno 3.1.2. Determinar los parámetros Optimos de Medición. Para determinar la Potencia Optima de Medición se procede a variar la Potencia del horno desde 2500 hasta 3500 W, aumentando gradualmente de 200 W hasta observar que la extracción de gases no aumenta con un nuevo incremento de potencia. Se efectúan 5 mediciones por cada Potencia y por cada lote. S e mide la temperatura correspondiente a cada medición. Calcular para cada serie de valores obtenidos el Valor Medio, y Desviación Standard. Para definir el parámetro Optimo, se tomara el valor de Potencia en el cual los promedios permanezcan constantes independientemente del posterior aumento de potencia. 1,20 1,34 1,61 1,80 1,59 1,25 0,0625884 0.6965646 0,7991580 0,8355649 0,6379086 0,6593244 2500 2700 2900 3100 3300 3500 Se adopto como potencia optima de extracción 3100 W, que como se observa en la siguiente figura 3, para ambas concentraciones, alto y bajo contenido de Hidrogeno de las muestras, la Potencia Optima es coincidente. Figura 3. Determinación de la Potencia Optima utilizando Pellets de Oxido de Uranio con alto y bajo contenido de Hidrógeno. 3.2.1 Extracción Total de Hidrogeno 3.1.3 Material utilizado. Pellets de Oxido de Uranio, agrupados en dos lotes a) contenido bajo de hidrogeno y 0% de de U308 b) contenido alto de hidrogeno y 12% de de U308 . 3.1.4 Medición. En las siguientes tablas, III y IV, se observan los valores medios de [H2], estos corresponden a cinco mediciones de pellets para cada potencia asignada al horno. Para comprobar si la extracción de hidrogeno es completa se realizaron repetidas mediciones sobre la misma probeta, verificando la disminución de la concentración de hidrogeno medida, hasta la constancia de los mismos. En la figura 4, se observa la disminución brusca de la concentración de hidrogeno y una posterior constancia de la misma en función del numero de mediciones. Figura 4. Disminución de la concentración de Hidrogeno con el numero de fusiones. Tabla III. Valores medios de [H2] para el lote denominado bajo. LOTE BAJO-UO2 0% U2O3 HORNO X S Pot. ( W ) 0,25 0,0488362 2500 0,30 0,0625884 2700 0,36 0,0637031 2900 0,42 0,0697178 3100 0,45 0,0604232 3300 0,44 0,0511203 3500 Tabla IV. Valores medios de [H2] para el lote denominado alto. LOTE ALTO – 12% U2O3 HORNO X S Pot. ( W ) 4. CALIFICACIÓN DEL MÉTODO DE MEDICIÓN. Para Calificar el Método de Medición y definir los parámetros óptimos: exactitud, precisión, límite de detección y evaluación de los resultados se aplicaron técnicas estadísticas, en las siguientes etapas: • Evaluación del equipo utilizado con Standard de Calibración Certificados de Hidrogeno en Acero y Crisoles vacíos de grafito de alta pureza. • Repetibilidad de los resultados, utilizando pellets de oxido de uranio, especialmente fabricados, con concentraciones de hidrogeno conocidos, de alto y bajo contenido. • Limite de Detección, se determino el limite inferior de medición de hidrogeno, para ello se utilizaron crisoles vacíos de grafito, de alta pureza. • Exactitud y Precisión del Método, utilizando Standard de Calibración Certificados. 4.1.0. Procedimiento para la Calificación del Método de Medición, 4.1.0.1 Determinar Exactitud y Precisión del Método. 0,10 < 0,20 4.1.0.2 Determinar Límite de Detección. Se realizan 20 mediciones utilizando crisoles vacíos de grafito de alta pureza X 0,0435 S 0,0087 Criterio de Aprobación. Los resultados obtenidos cumplen con la condición impuesta para la calificación, se considera apto el método de medición. LD = 0,068 < 0,1 En la siguiente figura se muestran el valor medio relativo al mayor valor medio contra los dias de operación. Figura 5: Evolución de los valores medios [H2] en crisoles vacíos. Para Determinar Exactitud y Precisión se utilizo el Standard Leco # 501-529 [H2] = 5,8 +/- 0,5 ppm, certificado. [H2] / [H2] max, * 100 100 80 60 Criterio de aprobación. En el siguiente cuadro, se resumen los valores calculados de las veinte mediciones realizadas: 40 20 0 <X> S U (95/95) ES 0 5,789 0,244 0,586 0,011 25 50 75 100 125 150 tiempo de operación (dias) 5. RESULTADOS DE LA CALIFICACIÓN. Para calcular Exactitud y Precisión del Método se utiliza la formula (1), donde: • U (95/95) es un valor de tabla, relacionado con 20 mediciones y un 95% de certeza. • ES es el Error Sistemático de Medición. • Valor MRC es la [H2] en ppm del material certificado de referencia. (U 2 ( 95 / 95 ) + ES ) ValorMRC • Exactitud y Precisión: 0,10 < 0,2 • Repetibilidad: 5 % < 30 % de diferencia entre valores medios de series de cinco mediciones, utilizando pellets de oxido de uranio. • 2 LD = 0,068 < 0,1 〈 0,2 (1) Los resultados obtenidos cumplen con la condición impuesta para la calificación, es decir se considera apto el criterio de Exactitud y Precisión del Método: Limite de Detección: Determinado con crisoles vacíos. • Control de Disociación del Agua: H %= < [H] > sal / [H] TEORICO * 100 • Utilizando el equipo Leco: • Utilizando la Balanza TG: H %= 11724 / 12123 * 100 H %= 96,7 % > 90 % Se observa que los resultados obtenidos utilizando el Medidor de Hidrógeno y la Balanza TG son prácticamente similares, por lo tanto se concluye que en el Medidor se produce la disociación del agua, el contenido de Hidrógeno es medido. Es decir en la medición de los pellets los valores de Hidrógeno (Total) informados corresponden al Hidrógeno presente más el contenido en el agua (humedad). En la siguiente figura se representa, a modo de ejemplo, la extracción típica de hidrógeno en función del tiempo concentraciones de mayor frecuencia, cumplen con lo especificado por norma ( < 1 ppm). Estos datos fueron obtenidos en enero de de 2006, correspondiendo a 230 mediciones de pellets de Oxido de Uranio. Figura 7. Histograma de los Resultados de 230 mediciones de la [H2] en Pellets de UO2. Desde Enero 2006. 80 60 FRECUENCIA H %= 11611 / 12123 * 100 H %= 95,8 % > 90 % 40 20 0 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 -20 [H] ppm Figura 6. Curva Típica de [H2 ] de un pellets de UO2 Potencia del Horno: 3100W- Peso del pellets 12,2930 g –Tiempo de Analisis: 90 seg. SEÑAL RELATIVA 7.- REFERENCIAS 7.1. Normas. TEMPERATURA • • • • 6.- CONCLUSIONES. La modificación del Método de Medición de Hidrógeno a las condiciones de operación para evaluar los pellets de oxido de Uranio, y la calificación del mismo, permitieron verificar que la extracción de Hidrógeno Total es cuantitativa, al utilizar muestras de diferentes pesos, lo cual mostró independencia del tamaño de las mismas, además las concentraciones de Hidrógeno medidas están dentro de los valores esperados y el error calculado. Actualmente continúa el Control de [H2] en los Pellets de Oxido de Uranio, producidos por la planta Conuar S. A. En el siguiente Histograma, figura 7, se puede apreciar la evolución de la frecuencia en relación a la concentración de hidrógeno, que la mayoría de los pellets, o sea para las 7.2. • • • 7.3. • ASTM C1457-00. Standard test method for determination of total hydrogen content of uranium oxide powers and pellets by carrier gas extraction. [1] ASTM C776-94.Standard specification for sintered uranium dioxide pellets. [2] ASTN C 753-00. Specification for nuclear-grade sinterable uranium oxide.[3] ASTM C 1348-96. Standard specification for blended uranium oxides with a 235U content of less than 5% for direct hydrogen reduction of nuclear grade uranium dioxide.[4] Presentaciones. H. Stehle, H. Assmann and G. Maier. Review of UO2 power and pellets fabrication under the aspects of inreactor fuel behaviour. IAEA/CNEA International Seminar on Heavy Water Reactor Fuel Technology. Bariloche, R. Argentina. Junio 1983. A. A. Strasser. Nuclear fuel quality control. International Conference on Characterization and quality control of nuclear fuels 1990. Karlsruhe. Germany. June 1990. Manual. Leco Corp. Instruction Manual RH-404 Hydrogen Determinator. Form No 200-608. [5]