Hacia la creación de aleaciones metálicas más resistentes al ambiente de las instalaciones nucleares

Las aleaciones metálicas de alta tecnología son usadas ampliamente en materiales importantes, como el revestimiento que aísla al combustible dentro de un reactor nuclear. Pero incluso las mejores aleaciones se degradan con el tiempo, víctimas de las altas temperaturas, la radiación y el entorno rico en hidrógeno del reactor. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, ha encontrado una forma de reducir grandemente los efectos dañinos que sufren estos metales debido a la exposición al hidrógeno.

El análisis llevado a cabo por Mostafa Youssef, Ming Yang y Bilge Yildiz se centró en las aleaciones de zirconio, que se emplean ampliamente en la industria nuclear, pero los principios básicos que han encontrado podrían aplicarse a muchas aleaciones metálicas usadas en otras aplicaciones de sistemas e infraestructuras energéticos.

El hidrógeno, que es liberado cuando se descomponen las moléculas de agua del refrigerante del reactor, puede entrar en el metal y reaccionar con él. Esto lleva a una reducción en la ductilidad del metal, o su capacidad de sostener una carga mecánica antes de fracturarse. Eso a su vez puede llevar a un agrietamiento prematuro y a fallos peligrosos que desemboquen en fugas radiactivas. En las centrales de energía nuclear, la integridad mecánica de ese revestimiento es extremadamente importante, de forma que encontrar maneras de mejorar su longevidad es de alta prioridad.

Pero resulta que la entrada inicial de los átomos de hidrógeno en el metal depende de forma crucial de las características de una capa que se forma sobre la superficie de este.

Sobre la superficie de zirconio en agua a alta temperatura se forma de manera natural un recubrimiento de óxido de zirconio, y este puede actuar como una especie de barrera protectora. Si se ajusta cuidadosamente, esta capa de óxido podría evitar que el hidrógeno penetre en la estructura cristalina del metal. O, bajo otras condiciones, podría expulsar el hidrógeno en forma de gas.

Los hallazgos del equipo sugieren dos estrategias potenciales, una dirigida a minimizar la penetración de hidrógeno y otra a maximizar la eyección de los átomos de hidrógeno que sí penetran.

La estrategia de bloqueo se basa en incorporar la cantidad adecuada de un elemento, como el cromo, que produzca este efecto. La otra estrategia está basada en diferentes elementos, incluyendo el niobio, que lancen al hidrógeno fuera de la superficie de óxido y protejan la aleación de zirconio subyacente.

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