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STA, TGA y EGA en Nuclear

Comprender la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición y la evolución de los gases

En la investigación y la tecnología nucleares, los materiales están expuestos a temperaturas extremas, atmósferas reactivas y largas vidas útiles. Es esencial comprender cómo se comportan estos materiales desde el punto de vista térmico, químico y estructural para garantizar la seguridad, el rendimiento y el cumplimiento de la normativa.

NETZSCH ofrece una completa cartera de soluciones de Análisis Térmico Simultáneo (STA), Análisis Termogravimétrico (TGA) y Análisis de Gases Evolucionados (EGA) adaptadas a los requisitos específicos de las aplicaciones nucleares. La capacidad de operar en atmósferas controladas, ofrecer datos reproducibles y Identify gases evolucionados respalda:

  • selección y cualificación de materiales
  • evaluaciones de materiales relacionadas con la seguridad
  • evaluaciones de vida útil y estabilidad
  • la investigación de materiales combustibles, estructurales y de residuos

Con nuestras décadas de experiencia en mediciones a alta temperatura, control de atmósferas y conceptos avanzados de seguridad, respaldamos aplicaciones nucleares que van desde la investigación fundamental de materiales hasta la ingeniería aplicada y las pruebas reglamentarias.

TGA

El análisis termogravimétrico (TGA) se centra en la medición precisa de los cambios de masa en función de la temperatura y el tiempo. Este método es fundamental para investigar la estabilidad de los materiales y las reacciones químicas en la investigación nuclear.

Entre las aplicaciones típicas relacionadas con la energía nuclear se incluyen

La alta sensibilidad y el rendimiento estable de la línea de base permiten realizar mediciones fiables incluso para los cambios de masa de small, lo que es especialmente importante para las evaluaciones de materiales y seguridad de relevancia nuclear.

STA

STA combina el análisis termogravimétrico con el DSC en un único experimento, lo que permite medir simultáneamente los cambios de masa y los efectos térmicos.

En aplicaciones nucleares, STA se utiliza ampliamente para la caracterización de:

  • combustibles nucleares y precursores de combustibles
  • materiales estructurales y de revestimiento
  • cerámicas, óxidos y grafito
  • materiales avanzados para reactores y sistemas de gestión de residuos

STA proporciona información esencial sobre la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, el comportamiento de Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición y las reacciones de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación y reducción, apoyando la cualificación de materiales a lo largo del ciclo del combustible nuclear. Las mediciones pueden realizarse en atmósferas controladas, incluidos gases inertes y reactivos, lo que permite simular entornos relevantes para la aplicación.

EGA

Cuando se combina con EGA, por ejemplo mediante FT-IR o espectrometría de masas, STA se convierte en una potente herramienta para identificar y cuantificar los gases liberados durante el calentamiento. Esto es esencial para:


NETZSCH las soluciones de acoplamiento permiten medir simultáneamente el cambio de masa y la composición del gas, lo que proporciona una comprensión más profunda de los procesos térmicos relevantes para los entornos nucleares.

Calor específico y energía de transición

La capacidad de un material para almacenar energía se rige, en parte, por su calor específico (calor sensible). Dependiendo del material, éste se compone de componentes reticulares, electrónicos y de defectos. Esta propiedad es necesaria para el diseño de cualquier proceso transitorio de transferencia de calor. También se utiliza para cuantificar la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación/reducción superficial y la relación O/M (defectos) de los combustibles durante su procesamiento. En algunos casos, el calor específico puede utilizarse como indicador del alcance de los daños en el examen posterior a la irradiación (PIE), por ejemplo, la energía almacenada. También es necesario para calcular la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica a partir de los datos de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica.

La energía de transición (calor latente) es necesaria para caracterizar las transiciones sólido-sólido, la fusión/solidificación y la Reacción de descomposiciónUna reacción de descomposición es una reacción inducida térmicamente de un compuesto químico que forma productos sólidos y/o gaseosos. descomposición. Tanto el calor específico como la energía de transición se miden con mayor precisión y eficacia mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC).

El calor específico también puede medirse mediante la técnica de flash láser, aunque con menor precisión y sólo con un número reducido de puntos de datos. (Con la DSC, la generación de un conjunto casi continuo de datos de calor específico dependientes de la temperatura es estándar) Con los conocimientos necesarios, los DSC pueden adaptarse fácilmente al trabajo en caliente.

Calor específico en función de la temperatura (Cp)

El UO2 estequiométrico sigue la tendencia clásica del calor específico en función de la temperatura, mientras que el de UO2.04 y UO2.084 muestra un pico EndotérmicoUna transición de muestra o una reacción es endotérmica si se necesita calor para la conversión.endotérmico entre 600 y 950K aproximadamente. Esto se debe a la energía necesaria para disolver la fase U4O9. Obsérvese que el área del pico del UO2.08 4 es mayor que la del UO2.04 debido a la mayor cantidad de fase U4O9.

Cambio de masa y gases evolucionados

El cambio de masa en función de la temperatura, junto con el análisis de gases evolucionados, proporciona información valiosa para ayudar a cuantificar la relación O/M, la desgasificación durante el procesamiento del combustible, la corrosión, la reducción, los productos de fisión/actínidos volátiles durante la vitrificación, las impurezas remanentes del proceso de separación, etc. Los analizadores termogravimétricos (TGA) o los instrumentos simultáneos TGA-DSC (STA), acoplados a un espectrómetro de masas cuadrupolar (QMS) directamente o mediante una línea de transferencia calentada, o un TGA o STA, acoplados a un FT-IR mediante una línea de transferencia calentada, se emplean ampliamente para estos tipos de análisis. Al igual que con las otras técnicas comentadas anteriormente, estos instrumentos pueden modificarse fácilmente para el trabajo en caliente.

Temperaturas solidus y liquidus

Los datos sobre la temperatura del solido y del liquido, así como sobre la Temperaturas y entalpías de fusiónLa entalpía de fusión de una sustancia, también conocida como calor latente, es una medida del aporte de energía, normalmente calor, que es necesario para convertir una sustancia del estado sólido al líquido. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado sólido (cristalino) a líquido (fusión isotrópica).temperatura de fusión, son necesarios para establecer las condiciones seguras de funcionamiento de los reactores y para modelizar escenarios de accidentes como las pérdidas de refrigerante. Estas temperaturas se ven muy afectadas por las impurezas, los daños por radiación, las relaciones O/M, el quemado y, por supuesto, la composición.

Sorprendentemente, las temperaturas solidus/liquidus son notoriamente difíciles de medir con precisión. El DSC es la técnica más utilizada para estas mediciones, pero hay que tener cuidado para evitar el subenfriamiento durante la solidificación (especialmente crítico para las aleaciones metálicas). Deben considerarse cuidadosamente las constantes de tiempo de la muestra y las velocidades de rampa de temperatura. Las temperaturas solidus/liquidus de la mayoría de las aleaciones metálicas también pueden medirse mediante la técnica de flash láser (a través de los datos de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica/Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica), y la dilatometría puede utilizarse tanto para conductores como para aislantes. Para los materiales que se funden a temperaturas ultraelevadas, a veces se emplea la detención térmica utilizando pirómetros ópticos para medir la temperatura. En definitiva, el DSC es el método más versátil y preciso.

Ratio O/M

Esta figura muestra la relación O/M durante el calentamiento. Estos valores se calcularon a partir de datos TGA medidos bajo múltiples presiones parciales de oxígeno (PO2). Durante el calentamiento, la relación O/M empieza a disminuir a ≈1000°C y hay claramente diferentes tasas de reducción resultantes de la PO2 variable sobre la muestra.

Seguridad nuclear, rendimiento e investigación de materiales

NETZSCH Analyzing & Testing ofrece soluciones probadas de análisis térmico que apoyan la investigación nuclear, el desarrollo de combustibles, la evaluación de la seguridad y la cualificación de materiales. Nuestros instrumentos se utilizan en todo el mundo en institutos de investigación, la industria y laboratorios gubernamentales para investigar el comportamiento térmico, la estabilidad y las propiedades termofísicas de los materiales nucleares en condiciones controladas y reproducibles.

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