Premian en Estados Unidos un modelo de evaluación de seguridad de reactores nucleares

El dispositivo, desarrollado en la Universidad de São Paulo, correlaciona la distribución estadística de microfisuras con la deformación plástica local de componentes estructurales

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – La cuba de presión, que aloja al núcleo del reactor, es el componente estructural más crítico del sistema PWR (pressurized water reactor o reactor de agua presurizada), utilizado en las centrales nucleares de Angra dos Reis y en el futuro submarino de propulsión nuclear de la Marina de Brasil.

En este sistema, el agua empleada para moderar la reacción de fisión nuclear del uranio, contenida en el circuito primario, calienta el agua presente en el circuito secundario para generar el vapor que acciona a la turbina eléctrica. Y la cuba de presión constituye la principal barrera de contención metálica del agua que fluye a alta presión en el circuito primario.

Un nuevo modelo, que perfecciona el sistema de evaluación de la integridad estructural de la cuba de presión, se hizo acreedor al premio como mejor trabajo presentado en el congreso de la American Society of Mechanical Engineers, realizado en California en 2014.

De autoría de Claudio Ruggieri, de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (EPUSP), y Robert H. Dodds, de la University of Illinois, este trabajo –“A Weibull Stress Approach Incorporating the Coupling Effect of Constraint and Plastic Strain in Cleavage Fracture Toughness Predictions”– es el resultado del proyecto de investigación intitulado “Desarrollos Adicionales de un Modelo Micromecánico de Fractura Frágil y Aplicaciones a la Integridad Estructural de Reactores Nucleares”, que contó con el apoyo de la FAPESP y concluyó recientemente.

“El principal factor de degradación de la cuba de presión es su exposición a la irradiación de neutrones emitidos por la reacción nuclear. La incidencia de estos neutrones afecta significativamente las características del material a escala nanométrica, con la formación de defectos y la consiguiente fragilidad”, declaró Ruggieri a Agência FAPESP.

Cabe recordar que la liberación de la energía nuclear que se convierte en energía eléctrica comienza con la colisión de un neutrón con un núcleo atómico de uranio físil 235.

Al quedar inestable debido a la acción del neutrón adicional, el núcleo de U235 se divide en dos núcleos menores estables, y en ese proceso emite nuevos neutrones rápidos, que a su vez colisionan con otros núcleos de U235. Se dispara así una reacción en cadena con una formidable liberación de energía.

Para evaluar el efecto de los neutrones libres sobre los componentes estructurales del reactor, se encapsulan diversos cuerpos de prueba, de tamaño reducido, y se los aloja en su interior. Reciben altas dosis de irradiación para ser sometidos posteriormente a ensayos de fractura.

Con todo, sucede que existe una gran diferencia de escala entre los cuerpos de prueba encapsulados, de 10 milímetros de espesor, y la pared del reactor, que tiene alrededor de 200 milímetros de espesor.

“Nuestro nuevo modelo permite corregir las imprecisiones inherentes a las mediciones experimentales y obtener evaluaciones más precisas y adecuadas de la degradación neutrónica del material”, dijo Ruggieri.

Los científicos constataron que el mecanismo de fractura es un proceso de degradación que se produce a diversas escalas: desde la escala atómica hasta la escala de la propia cuba de presión. Con base en esto, construyeron su modelo, correlacionando la distribución estadística de microfisuras con la deformación plástica local del componente estructural macroscópico.

“El objetivo central consistió en comprender el papel de la deformación plástica en el proceso de fractura por división mediante un parámetro probabilístico de fractura, y de qué manera éste contribuye en la evaluación de una potencial falla catastrófica de la cuba de presión”, explicó el investigador.