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LADICIM participa en el proyecto europeo ExAM-FAST para estandarizar el uso de probetas miniatura en la industria nuclear

La investigación busca modificar las restrictivas normativas internacionales de ensayos mecánicos para reducir drásticamente el material necesario al evaluar la integridad y prolongar la vida útil de los reactores

Certificar la seguridad estructural de una central nuclear exige someter sus componentes a pruebas mecánicas continuas y sumamente exhaustivas. Extraer piezas de metal de un reactor en funcionamiento para comprobar cómo la radiación extrema degrada sus propiedades resulta, en la práctica diaria de la industria, un desafío logístico y económico extraordinario. Además, manipular grandes muestras de acero irradiado requiere el uso de celdas calientes fuertemente blindadas y un costoso transporte especializado, un cuello de botella técnico donde interviene directamente el proyecto ExAM-FAST. 

Financiada por el programa europeo Euratom, bajo el paraguas de la plataforma CONNECT-NM, esta iniciativa cuenta con un presupuesto de 1,87 millones de euros para cambiar el paradigma de la cualificación de materiales. La Universidad de Cantabria asume un rol estratégico a través de LADICIM, conformando un consorcio junto al comisariado atómico francés (CEA), operadores eléctricos como EDF y centros de referencia como el HZDR alemán o el SCK CEN belga.

El objetivo que ha unido a estas instituciones no es otro que demostrar ante los organismos reguladores que las probetas Mini-CT (Miniaturized Compact Tension) ofrecen datos seguros y representativos del comportamiento real a fractura del material. Se trata de pequeñas probetas de acero con espesores de apenas 4 milímetros que permiten medir la tenacidad a la fractura empleando una fracción mínima de material.

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El profesor Sergio Cicero muestra el contraste de tamaños entre una probeta de tamaño estándar y una en miniatura.

A pesar de las evidentes ventajas operativas que supone ensayar muestras diminutas, la comunidad científica choca actualmente contra un muro regulatorio. Las reglas internacionales que rigen estos ensayos imponen límites de validez diseñados originalmente para probetas de gran tamaño, obligando a los laboratorios a descartar multitud de resultados físicamente representativos del material simplemente porque se salen de unos márgenes teóricos que ExAM-FAST pretende actualizar.

La rigidez térmica de la Curva Maestra

El principal obstáculo que aborda el proyecto se centra en la caracterización de los aceros ferríticos que componen la vasija del reactor: materiales que experimentan una transición de un estado dúctil a uno frágil a medida que desciende la temperatura. Para calcular la temperatura de referencia exacta en la que ocurre este cambio crítico, la industria utiliza la aproximación estadística conocida como Curva Maestra, validada por la estricta norma ASTM E1921. La normativa impone un límite estricto al descartar los resultados de cualquier probeta que colapse cincuenta grados por debajo de su temperatura de referencia. Los reguladores aplican esta restricción asumiendo que ese exceso de frío altera los mecanismos microscópicos de rotura, provocando que la grieta deje de iniciarse en un único punto focal. Al multiplicarse las zonas de fractura queda invalidada la conocida teoría del eslabón más débil, la base matemática sobre la que los ingenieros construyen la Curva Maestra del material. 

Esta restricción, sin fundamento físico, genera un problema evidente cuando se evalúa un material irradiado cuya temperatura de referencia aún se desconoce, ya que decenas de valiosísimas probetas acaban siendo desechadas si el ensayo se ejecutó en un entorno ligeramente más frío de lo permitido.

«La norma establece unas condiciones bastante restrictivas que dificultan el proceso experimental, ya que los resultados obtenidos por debajo de esos cincuenta grados con respecto a la temperatura de referencia simplemente no te valen», explica Sergio Cicero, catedrático de la UC e investigador principal de LADICIM en el consorcio. «Nosotros sabemos que esos datos sí son útiles si se toman ciertas precauciones, y si (en particular) se comprueba que hay un único punto de iniciación de la fractura, por lo que vamos a intentar demostrar que estas probetas se pueden ensayar más allá de los límites de la norma actual, proporcionando valores igualmente fiables y robustos que faciliten la obtención de propiedades mecánicas».

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Para fundamentar este cambio legal, los socios ejecutarán nuevas campañas de ensayos de tenacidad a fractura a temperaturas extremadamente bajas. Posteriormente se analizarán las superficies de estas fisuras utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) para mapear a escala micrométrica los sitios de iniciación del daño. Si se logra demostrar empíricamente que el mecanismo fundamental de rotura no sufre alteraciones a esas temperaturas, el consorcio propondrá oficialmente la relajación del límite térmico.

Fisuras asimétricas y simulaciones de fatiga

Más allá de la temperatura, preparar una probeta de 4 milímetros para su ensayo final implica generar previamente una grieta macroscópica mediante ciclos continuos de carga (fatiga del material). La normativa actual exige que el frente de esta grieta inicial sea fundamentalmente recto, una tolerancia geométrica que resulta fácil de conseguir en probetas de gran tamaño, pero que puede ser difícil en probetas tan delgadas sin recurrir al mecanizado de ranuras laterales que complican el proceso experimental.

Buscando simplificar los protocolos de mecanizado para toda la industria, el consorcio ensayará probetas cuyas grietas previas superen deliberadamente los límites de curvatura y longitud permitidos.

El salto al régimen dúctil mediante gemelos digitales

En general, los componentes estructurales de una central operan en un régimen dúctil. Estos componentes suelen fabricarse con aceros inoxidables austeníticos que mantienen una enorme capacidad de deformación plástica incluso tras soportar procesos de bombardeo neutrónico. Medir esta tenacidad a fractura en condiciones dúctiles usando muestras en miniatura representa una frontera inexplorada, ya que la norma aplicable (ASTM E1820) impone condiciones geométricas y físicas que una probeta de 4 milímetros de espesor no puede cumplir en muchas ocasiones.

Para sortear esta barrera inquebrantable en el mundo físico, el consorcio desplegará un innovador modelo de evaluación híbrido que fusiona el ensayo mecánico tradicional con la informática avanzada.

Respaldar cambios normativos de este calibre exige experimentar con una batería de metales que represente fielmente la realidad operativa del parque atómico mundial. Para ello, el consorcio europeo ha diseñado una agresiva matriz de pruebas que combina metales vírgenes con aleaciones que ya han sido fuertemente irradiadas en programas históricos.

Se testearán aceros de referencia global como el A533B JRQ o el metal base de forja japonesa 22NiMoCr3-7, además del cordón de soldadura 73W, conocido en la literatura técnica por su alta sensibilidad al daño debido a sus niveles de cobre. Buscando garantizar un suministro de muestras a largo plazo, se diseñará una cápsula de irradiación específica bautizada como MIDI que se introducirá en el Reactor de Alto Flujo de Petten, exponiendo nuevas remesas de acero inoxidable y ferrítico a flujos neutrónicos controlados.

La actividad experimental de LADICIM no se limitará únicamente al entorno de las vasijas de presión. El equipo cántabro liderará en sus propias instalaciones los ensayos sobre acero forjado SA350 LF3 Cl2, el material estratégico empleado en la fabricación de los pesados contenedores metálicos diseñados para almacenar y transportar de forma segura el combustible nuclear usado.

El ruido estadístico de la inhomogeneidad

Ningún bloque de acero industrial es microestructuralmente perfecto. Todos presentan ligeras variaciones microscópicas en su red cristalina y en su microestructura, un fenómeno de inhomogeneidad que suele pasar desapercibido en muestras grandes pero que se magnifica de forma drástica al ensayar piezas de 4 milímetros. Si por azar varias probetas miniatura extraídas de un mismo bloque contienen zonas microestructuralmente dispares, la dispersión estadística de los resultados se altera y confunde el cálculo global de la seguridad del material.

Para aislar este «ruido» estadístico, el consorcio empleará rutinas de análisis matemático masivo que simularán conjuntos de datos artificiales imitando estas variaciones internas. Cruzando estos escenarios virtuales con las roturas reales logradas por el resto de laboratorios, los expertos determinarán con exactitud cuántas probetas válidas son estrictamente necesarias para neutralizar la inhomogeneidad y obtener una temperatura de referencia válida, segura y libre de falsos positivos.

Toda esta avalancha de parámetros mecánicos, análisis fractográficos y simulaciones se volcará progresivamente en NM-KOS, el gran sistema de gestión del conocimiento unificado que la Unión Europea está construyendo para conectar a toda su red de investigadores.

Inteligencia artificial y experiencia consolidada

La posición central de la Universidad de Cantabria en la redacción de los nuevos protocolos de ExAM-FAST refleja el peso específico que LADICIM ha ganado en el panorama nuclear europeo. Su participación actual se asienta sobre el éxito de proyectos continentales previos donde el Laboratorio ya demostró su capacidad para cruzar la ciencia e ingeniería de materiales con la moderna ciencia de datos.

LADICIM actuó como una pieza fundacional en FRACTESUS, la primera gran iniciativa comunitaria que sentó las bases para aceptar geométricamente las muestras sub-tamaño. Al mismo tiempo, el Laboratorio dirige actualmente el paquete de inteligencia artificial del proyecto Extend-LTO, diseñando complejas redes neuronales y algoritmos de Machine Learning capaces de predecir la degradación atómica a largo plazo inducida por el níquel y el manganeso. Dominar esta frontera tecnológica, conocida hoy como Informática de Materiales, sitúa al grupo universitario como el socio ideal para coordinar la asimilación masiva de datos que exige validar una nueva norma internacional.

Lograr el respaldo legal para el uso cotidiano de las probetas Mini-CT transformará de raíz los programas de mantenimiento de las centrales actuales, abriendo además una vía rápida y económica para cualificar las aleaciones experimentales y los componentes fabricados mediante impresión 3D que darán forma a los reactores de Generación IV. Un salto regulatorio imprescindible para garantizar que las infraestructuras energéticas del futuro sigan siendo seguras, rentables y libres de emisiones.

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