Caracterización química de polvos y pellets de óxido de uranio para combustibles nucleares

Abstract

Debido a que el combustible nuclear es el corazón del reactor, su caracterización química y física es un componente importante del diseño, y una etapa fundamental del ciclo de combustible. El control de calidad químico proporciona un medio para garantizar que la calidad del combustible fabricado se ajuste a las especificaciones establecidas en el diseño del reactor. Se elaboran especificaciones químicas para los componentes principales y secundarios que afectan las propiedades del combustible y, por tanto, su rendimiento en las condiciones que prevalecen en un reactor en funcionamiento. Cada lote de combustible debe someterse a un exhaustivo control de calidad química en cuanto a trazas de constituyentes, estequiometría y composición isotópica. Los reactores argentinos, tanto de potencia como de investigación, utilizan combustibles de óxidos de Uranio. Por lo tanto, en este trabajo se analizaron distintas alternativas analíticas para determinar con el mayor grado de exactitud y precisión las principales características químicas del material nuclear: Cuantificación de componentes mayoritarios del combustible nuclear (Uranio y Gadolinio), Composición Isotópica de Uranio y determinación de elementos traza como impurezas presentes en el combustible. La cuantificación de componentes mayoritarios del combustible nuclear es generalmente la determinación de uranio. Sin embargo, en el caso del combustible que se está desarrollando para la central CAREM, se agrega también gadolinio como veneno quemable para mantener un balance neutrónico adecuado en operación. De manera que es necesario conocer la concentración de ambos elementos con un grado de precisión muy difícil de alcanzar para la mayor parte de las metodologías de análisis conocidas. En este trabajo se desarrolló un método de dilución isotópica multivariado que permite evaluar tanto uranio como gadolinio utilizando un espectrómetro de masas por termoionización (TIMS) para determinar las relaciones isotópicas de los analitos y el trazador. Se abordó el desarrollo del método, su cálculo de incertidumbre y su validación. Además, conocer la composición isotópica del uranio permite asegurar un control sobre el enriquecimiento del material utilizado para la determinación de la fracción de uranio fisil (U- 235). Mediante el uso de un espectrómetro de masas TIMS de alta resolución se evaluó el método de evaporación total (TE) para determinar con alta precisión la composición isotópica, realizando una aproximación al cálculo de incertidumbre y su validación con materiales de referencia isotópicos certificados. Por último, los elementos presentes como impurezas en el uranio pueden alterar las cualidades fisicoquímicas del material en el núcleo del reactor. Es por esto que una determinación exhaustiva de los elementos presentes a niveles de trazas es necesaria para un adecuado control de calidad. Para realizar este análisis es preciso aislar los componentes minoritarios. Para esto, el combustible es digerido con ácidos llevándolo a solución y luego es pasado por una columna de tributil fosfato (TBP) que retiene el uranio presente y permite la elusión de los elementos minoritarios. Esta solución fue analizada mediante fluorescencia de rayos x (XRF) y espectrometría de masas por plasma inductivamente acoplado (ICP-MS). Se evaluó el procedimiento para la determinación de impurezas en materiales de referencia certificados para demostrar su exactitud.

Nuclear fuel lies at the heart of a reactor, making its chemical and physical characterization an integral part of reactor design and a crucial stage in the fuel cycle. Chemical quality control ensures that the fabricated fuel meets the specifications outlined in the reactor design. Chemical specifications are established for primary and secondary components that influence the fuel's properties and, consequently, its performance under reactor operating conditions. Each fuel batch undergoes rigorous chemical quality control to assess trace constituents, stoichiometry, and isotopic composition. The quantification of major fuel components, primarily uranium, is essential. However, in the case of fuel being developed for the CAREM power plant, gadolinium is also added as a burnable poison to maintain an appropriate neutron balance during operation. Therefore, determining the concentration of both elements with a degree of precision that is challenging to achieve with most known analytical methodologies is necessary. This study presents a multivariate isotope dilution method for evaluating both uranium and gadolinium using a thermal ionization mass spectrometer (TIMS) to determine the isotopic ratios of the analytes and tracer. The method development, uncertainty calculation, and validation are discussed in this section. Uranium's isotopic composition further ensures control over the enrichment of the material used to determine the fissile uranium fraction (U-235). A high-resolution TIMS is employed to evaluate the total evaporation (TE) method for high-precision isotopic composition determination, along with an uncertainty calculation approach and validation using certified isotopic reference materials. Impurities present in uranium can alter the material's physicochemical properties within the reactor core. Therefore, a thorough determination of trace elements is crucial for adequate quality control. To perform this analysis, minor components are isolated by digesting the fuel with acids and bringing it into solution. The solution is then passed through a tributyl phosphate (TBP) column, which retains the uranium and allows the elution of minor elements. This solution is subsequently analyzed by X-ray fluorescence (XRFS) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The accuracy of the method is demonstrated using certified reference materials.