Estudio de envejecimiento térmico y por radiación mixta del poliéter-éter-cetona (PEEK) para aplicaciones nucleares

Abstract

La optimización de costos y creciente demanda energética exige de la industria nuclear la extensión de vida de las centrales desde el estudio, seguimiento y predicción del envejecimiento de los materiales de sus componentes. En Argentina, los aislantes eléctricos de material polimérico de los sistemas de instrumentación y control adquirieron mayor interés en los últimos años. En particular, un polímero de alta prestación de 40 años de existencia, como el PEEK (poliéter-éter-cetona), se presenta como una opción tecnológica avanzada para aislante eléctrico de conductores de cobre, transmisores de señal de sensores LVDT (Linear Variable Differential Transducer) para el posicionamiento del brazo intercambiador de elementos combustibles de las Centrales Atucha I y II. La elongación a rotura y adaptabilidad al creep constituyen dos parámetros de cuantificación del daño por envejecimiento de polímeros semicristalinos. Se evaluó la construcción de sus curvas predictivas desde ensayos de envejecimiento acelerados por calor, radiación y ambos. Así, tubos de PEEK se envejecieron: i) isotérmicamente, en horno con circulación forzada de aire, ii) con irradiación de neutrones rápidos, en el reactor nuclear experimental RA6-CNEA, y iii) por calor y flujo neutrónico mixto en el reactor nuclear experimental RA1-CNEA. El envejecimiento isotérmico se determinó mediante cambios en la adaptabilidad al creep. La curva maestra sirvió como patrón termodinámico para modelar la naturaleza discontinua de la evolución del volumen libre extra. Esta característica se basa en las restricciones en la movilidad de los segmentos de las macromoléculas poliméricas, a medida que el polímero envejece. El modelo destaca la relación entre el tiempo de recocido y el tiempo de relajación de dicho volumen durante ese tratamiento térmico. Así, se logró establecer un criterio de fin de vida útil para el PEEK. Las caracterizaciones permitieron concluir que el envejecimiento isotérmico y combinado (en RA1) promueve el entrecruzamiento de cadenas, mientras que los neutrones rápidos, el corte de cadenas, aportando al mapa de envejecimiento por radiación propuesto para el PEEK.

The increased energy demand and the need to optimize costs are driving forces for the life extension of nuclear power plants. This goal comprises the study, monitoring and prediction of the aging of materials of each component in the plant. In Argentina, electrical insulating of polymeric material for instrumentation and control acquired more interest in last years. Particularly, a high-performance polymer such as PEEK (polyether ether ketone) of 40 years of existence constitute an advanced technological option as an electrical insulator of copper conductor that transmits signal to operate LVDT (Linear Variable Differential Transducer) sensors for the positioning of the fuel element exchange arm of the Atucha I and II Power Plants in Argentina. Elongation at break and the creep compliance are mechanical parameters typically used to quantify the aging of semicrystalline polymers. Predictive curves are often built from mechanical tests accelerated by heat, radiation or both. In this work, PEEK tubes were aged by: i) isothermal heating, ii) irradiation with fast neutrons in the experimental nuclear reactor RA6-CNEA and iii) isothermal heating and mixed neutron flux within the experimental nuclear reactor RA1-CNEA. Isothermal aging was determined by changes in the creep compliance. The master curve worked as a thermodynamic pattern to model the discontinuous nature of the evolution of extra free volume. This characteristic is based on the restrictions in the mobility of the segments of the polymeric macromolecules as the polymer ages. The model highlights the relationship between the annealing time and the relaxation time of that volume during that heat treatment. Thus, it was possible to establish an end-of-life criterion for PEEK. The characterizations allowed to conclude that isothermal and combined aging (in RA1) promote chain cross-linking, while fast neutrons, chain scission, contributing to the radiation- aging map proposed for PEEK.