ES2203068T3 - Procedimiento y dispositivo para la sinterizacion de combustible nuclear mediante microondas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para tratar combustible nuclear en un horno de microondas (1), caracterizado porque mediante un radiador de microondas se mantiene una onda estacionaria en una cavidad de antena (53) y el combustible nuclear se introduce en una cámara resonante (51) alimentada a través de una serie de aberturas estrechas (54) con microondas procedentes de la cavidad de antena (53).

Description

Procedimiento y dispositivo para la sinterización de combustible nuclear mediante microondas.

La presente invención se refiere a un procedimiento para sinterizar combustible nuclear en un horno microondas, así como al correspondiente horno microondas.

El uso industrial de hornos microondas se limita en la actualidad al secado de piezas o materiales, a la esterilización (p.ej. de alimentos), a la polimerización de caucho, al endurecimiento de plásticos y a procesos similares, que se desarrollan a temperaturas medias. La industria cerámica está interesada en el empleo de microondas para la sinterización, aplicación que hasta la fecha está prácticamente limitada a escala de laboratorio, pues según demuestran las experiencias recogidas hasta ahora, aunque bastan tiempos de sinterización más breves, se requieren temperaturas supuestamente mayores (por tanto con mayor desgaste de los hornos) y globalmente se producen mayores pérdidas de energía aunque tal vez se logren mejores propiedades del material (p.ej. un tamaño más fino de partícula en la estructura cerámica). Sin embargo, hasta la fecha, no se ha conseguido ningún producto de calidad satisfactoria con microondas.

No obstante en la solicitud de patente no publicada PCT/EP 97/04513 se describe un procedimiento para sinterizar piezas de combustible nuclear, partiendo de trozos prensados de dicho material, de manera que tanto la forma de las piezas sinterizadas como su densidad y estructura mecánica/química satisfacen los requisitos para su uso en reactores nucleares. A igual duración, las temperaturas necesarias para este procedimiento son más bajas que en los procesos convencionales, con lo cual se simplifica el mantenimiento y se reduce tanto el desgaste como las pérdidas de energía. Sin embargo, el dispositivo ahí descrito, diseñado de forma empírica, resulta difícil de optimizar. Es difícil conseguir y reproducir, como se pretende, que la distribución de temperatura en el combustible sea homogénea y que las pérdidas de temperatura y la carga térmica de los componentes del horno sean mínimas.

La singularidad del combustible nuclear cerámico consiste en que se "acopla" bastante bien a las microondas, es decir que puede absorber energía del campo de microondas, sin ser eléctricamente conductor a bajas temperaturas. Pero a temperaturas más elevadas aumenta la conductividad eléctrica y el combustible se comporta progresivamente como un metal. Por lo tanto se producen sobre calentamientos locales, arcos voltaicos y distorsiones del campo de microondas (p.ej. una zona conductora de material bien sinterizado puede impedir la penetración de las microondas en zonas vecinas del combustible). El resultado son tabletas sinterizadas irregularmente, en parte fundidas y deformadas. Por consiguiente se pretende una distribución lo más homogénea posible de la energía y de la temperatura, sin máximos locales muy marcados.

Siguiendo esta vieja propuesta, las microondas se producen con un magnetrón o un elemento eléctrico parecido (p.ej. un klistrón) y se conducen mediante un transmisor de ondas a la cámara del horno (cámara de trabajo), construida como un resonador, es decir, blindada por todos los lados con paredes (metálicas) reflectantes de microondas. En este caso se contempla el magnetrón como la única fuente del campo de microondas, el combustible nuclear como único receptor del campo, y el transmisor de ondas con el resonador, simplemente como transmisión de las microondas sujeta a pérdidas. Por lo tanto, la geometría de la cámara del resonador y del transmisor de ondas debe elegirse empíricamente pensando en minimizar las pérdidas de calor, o sea de manera que el combustible nuclear saque la mayor energía posible del campo. Asimismo, variando la posición del transmisor de ondas en la cámara de trabajo, se establece una distribución de temperatura en el combustible lo más uniforme posible. Para aportar la potencia necesaria hay que prever varios magnetrones, conectados respectivamente a un transmisor de ondas, cuyo extremo pasa con toda su sección a la cámara del resonador. Cada magnetrón se regula individualmente para llegar a una distribución de temperatura lo más uniforme posible, mediante la superposición de las microondas que genera.

Solamente se consigue una calidad uniforme moviendo el producto sinterizado con un gas de sinterización que fluye por un tubo cerámico extendido a través de toda la cámara del resonador. Debido a la inevitable falta de homogeneidad local del campo de ondas y de la distribución de temperatura, todas las zonas del combustible experimentan las mismas condiciones locales, de manera que al final todas las muestras del combustible deberían tener iguales antecedentes en cuanto a las temperaturas sufridas. El requisito previo es que el campo de microondas no tenga oscilaciones locales fuertes. Respecto a las temperaturas, tiempos, atmósferas y dispositivos convenientes de sinterización (p.ej. válvulas esclusa para introducir el combustible en los tubos por los que fluye el gas de sinterización) y demás detalles de una planta de sinterización con microondas, este documento contiene numerosas propuestas, que también son aplicables a la presente invención. Por tanto, el contenido de este documento también pertenece al contenido de la presente invención, con la cual se mejora la entrada de la radiación microondas en la cámara de trabajo (cámara del resonador).

La presente invención también tiene el objetivo de indicar un procedimiento y un horno de microondas para sinterizar combustible nuclear con la calidad que requiere el uso en el reactor. En tal caso, como "combustible nuclear" no hay que considerar solo el óxido de uranio propiamente, sino también las mezclas con otros óxidos (sobre todo de transuránidos como el plutonio y el torio) y con materiales absorbentes (como el óxido de gadolinio). La presente invención está destinada preferentemente a la sinterización de trozos moldeados y prensados del combustible (los llamados "lingotes brutos") hasta la obtención de las respectivas piezas sinterizadas (en general tabletas cilíndricas llamadas "pellets"), pero también es apropiada para el tratamiento de polvo o granulado a las temperaturas de sinterización correspondientes. Según las experiencias habidas en la presente invención mediante el uso de microondas, hay que contar realmente, como mínimo para los materiales utilizables en un reactor nuclear, con una reducción de las temperaturas de sinterización y de las pérdidas de calor.

La presente invención parte del hecho de que la creciente conductividad eléctrica del combustible nuclear a temperaturas elevadas no solo empeora el resultado de la sinterización, sino que también crea unas condiciones inestables en el campo, pues, debido a su calentamiento heterogéneo, el combustible no solo constituye un receptor irregular para la radiación microondas, sino que incluso actúa de modo análogo a un "emisor" por sus propiedades eléctricas, dando lugar a realimentaciones inestables en los magnetrones y en la radiación emitida por ellos. Estas realimentaciones no se pueden dominar de modo seguro con un dispositivo que contemple simplemente el espacio abierto (la cámara del resonador) como un medio transmisor de la radiación entre el magnetrón (fuente) y el combustible nuclear (absorbente), el cual debe optimizarse en cuanto a las pérdidas.

La presente invención emplea más bien, preferentemente, una cavidad de antena cerrada por todos los lados con unas paredes (metálicas) reflectantes de microondas, la cual se dimensiona de manera adecuada a la radiación de microondas empleada, para generar un campo de microondas estable (ondas estacionarias). En la técnica de microondas se suele utilizar un magnetrón o un klistrón, para producir una frecuencia de 915 MHz o 2,45 GHz; generalmente es adecuada una frecuencia comprendida entre 0,4 y 30 GHz. Las dimensiones de los transmisores de ondas de bajas pérdidas, adaptados a dichas frecuencias, son conocidas y están investigadas y descritas. Si los extremos de estos transmisores de ondas se cierran con paredes reflectantes (llamadas "cierres en cortocircuito"), se convierten en resonadores donde dichas frecuencias producen campos de ondas estacionarias.

Preferentemente, conforme a la presente invención, a cada una de tales cavidades de antena se le agrega un solo magnetrón (o klistrón), el cual no está situado dentro de las ondas estacionarias, sino al final del respectivo transmisor de ondas, que desemboca por su otro extremo en la cavidad de antena.

Desde el campo así estabilizado dentro de la cavidad de antena, la energía necesaria para la sinterización se desacopla a través de varias aberturas estrechas en una pared de la cavidad de antena y se irradia a la cámara del resonador. Comparadas con la superficie de una pared de la cavidad de antena, estas aberturas, preferentemente de tipo rendija, son tan pequeñas que casi no influyen en la formación de las ondas estacionarias dentro de la cavidad de antena, ni provocan descargas eléctricas, pero irradian suficiente potencia. Gracias a ello también se minimiza la realimentación de la radiación microondas en la cavidad de antena.

Estas "antenas ranuradas" ya se han propuesto anteriormente en ingeniería de telecomunicaciones para propagar los correspondientes campos a un entorno casi ilimitado, que solo devuelve reflexiones insignificantes. De este modo debe resultar un radiador plano, estabilizado, con una potencia de radiación repartida uniformemente por toda su superficie.

La tecnología de este tipo de antena ranurada está descrita por Werner Rüggeberg en "A Multislotted Waveguide Antenne for High-Powered Microwave Heating Systems" (Antena multiranurada para sistemas de calefacción por microondas de alta potencia), IEEE Transactions on Industry Applications (Procesos de ingeniería eléctrica y electrónica aplicados a la industria), vol. IA-16, nº 6, noviembre/diciembre de 1998, páginas 809 a 813. Ahí se detallan procedimientos y fórmulas para determinar la potencia irradiada, así como el número y la disposición de las ranuras, a fin de conseguir la deseada distribución plana de la potencia de radiación. El producto irradiado se contempla como un espacio ilimitado en el que se irradia una energía considerable sin reflejarse. Por lo tanto solo se consideran temperaturas bajas en el lugar del absorbente. Pero, si por la parte de fuera se coloca cerca de las ranuras un cuerpo metálico que podría simular el combustible nuclear calentado a alta temperatura en cuanto a reflexión y absorción, entonces se rompe la onda estacionaria en la cavidad de antena, donde según Rüggeberg también está colocado el magnetrón, produciéndose arcos voltaicos y graves daños en las paredes y en el magnetrón de la antena y en el reflector. Al montar una antena ranurada de tal tipo, según Rüggeberg, de acuerdo con el dispositivo de la patente PCT/EP 97/04513, también se produjeron estos daños, a pesar de que la potencia de la antena estaba rebajada y de que la temperatura media en el combustible nuclear no llegó a ningún valor de sinterización.

No obstante, en la presente invención se prevé una cavidad de antena, alimentada por un radiador de microondas, con una pared provista, como mínimo, de una abertura estrecha (mejor, formada por varias rendijas o ranuras), para acoplar las microondas a la cámara de un resonador que contiene el combustible nuclear. Sin embargo las rendijas están diseñadas de tal modo que la realimentación hacia la cavidad de antena, debida a las reflexiones del combustible nuclear, ya no cause más perturbaciones. Con la nueva disposición de las rendijas resulta más fácil dominar y regular la distribución de temperaturas en el combustible nuclear.

Según la presente invención se han empleado ventajosamente varias de dichas antenas ranuradas, para acoplar en la cámara del resonador la energía necesaria para sinterizar el combustible nuclear. De modo ventajoso la cámara del resonador tiene aproximadamente la misma longitud que la cavidad de antena, la cual está colocada junto a un lado largo de la cámara del resonador. En el caso más sencillo, la cavidad de antena está adosada directamente a la cámara del resonador, de manera que ambos recintos quedan separados por una pared común que lleva las aberturas estrechas o rendijas.

Teniendo en cuenta el ya citado carácter metálico del combustible muy caliente, el producto sinterizado no solo se comporta como un fuerte absorbente, sino también como un "emisor" (o al menos como un reflector), cuyo reacoplamiento a la onda estacionaria de la cavidad de antena no debe ser despreciado. Antes bien, las condiciones de resonancia en la cavidad de antena son fuertemente perturbadas por el reacoplamiento con el combustible nuclear.

Para evitar este reacoplamiento habría que reducir el número y/o la superficie de las rendijas. Así se rebaja la energía reacoplada, pero también la energía absorbida por el combustible nuclear y necesaria para la sinterización, con lo cual el combustible no llega prácticamente a la temperatura de sinterización necesaria. Por lo tanto esta vía tampoco es adecuada.

El sistema debe considerarse más bien como un sistema reacoplado, diseñando desde un principio la cavidad de antena con las rendijas en función de las condiciones disonantes. Esto es empíricamente fácil, variando la longitud de la cavidad de antena mediante varios cierres metálicos correderos y cambiando la posición de las rendijas en las paredes de dicha cavidad. Se demuestra que con estas modificaciones puede alcanzarse una distribución mucho más homogénea de la temperatura y del campo en la cámara del resonador, evitando los daños mencionados.

El procedimiento de la presente invención, con un horno de microondas para sinterizar el combustible nuclear y algunos perfeccionamientos ventajosos, está detallado en las reivindicaciones.

La presente invención se explica más detalladamente con la ayuda de 9 figuras y varios ejemplos demostrativos:

Fig. 1 muestra un primer ejemplo de ejecución de un horno microondas según la presente invención para realizar el proceso de la presente invención,

Fig. 2 y 3 cortes de una cavidad de antena con rendijas variables para desacoplar las microondas,

Fig. 4 y 5 otros dos ejemplos de ejecución de un horno de microondas según la presente invención,

Fig. 6 un corte a través del horno microondas según la figura 4,

Fig. 7 y 8 dos vistas laterales de hornos de microondas según la presente invención,

Fig. 9 una curva de temperatura registrada en el horno de la figura 7.

En el horno microondas 1 de la figura 1 hay parte de una pared lateral 2 y de la pared superior 3 abierta para mostrar el interior de una cámara resonante 20 paralelepipédica. La cámara del resonador está cerrada lateralmente por dicha pared 2, la pared lateral 5 paralela a ella, la pared superior 3 con la correspondiente pared inferior 6 y detrás, por la pared posterior 4. La correspondiente pared anterior 7 está construida como una puerta que puede cerrarse herméticamente con tornillos. Todas las paredes son de chapa de acero de 3 mm de grosor. En general pueden ser de cualquier material (sobre todo metal), siempre que refleje las microondas y sea estable térmicamente, como mínimo a temperaturas de hasta 800ºC, y también químicamente, tanto con la cámara del resonador 20 aireada como llena del gas previsto para la sinterización, y que sobre todo no forme chispas. Es conveniente que las paredes interiores sean lisas o pulidas a espejo, a fin de facilitar la reflexión de las microondas.

Las superficies interiores están forradas con un aislante térmico 8, ampliamente transparente las microondas. Para ello es adecuado un material cerámico, sobre todo óxido de aluminio poroso. En la figura 1 también está abierto este aislante térmico, para mostrar los soportes 10, 11, 12 (solo parcialmente representados), sobre los que pueden introducirse y aguantarse tres capas del combustible nuclear. También se puede ver un conducto de gas 15 y una salida de gas 16, para introducir y aspirar, respectivamente, el gas de sinterización en la cámara (p.ej. hidrógeno seco con una presión parcial de oxígeno de 10^{-8} atmósferas o menos).

La cámara del resonador 20, blindada mediante las paredes 2 hasta 7, es alimentada por su pared posterior 4 con microondas generadas en las respectivas cavidades de antena 21 y 22. Estas cavidades de antena 21 y 22 también están blindadas por todos los lados con paredes similares y de sus extremos cerrados sobresale un magnetrón 23. Asimismo puede verse una caja 25 para dispositivos usuales en la técnica de microondas, que miden las ondas salientes del magnetrón y las ondas reflejadas, las cuales son amortiguadas por medio de un diafragma (p.ej. una estructura usual en el comercio, formada por tres barras reflectoras que se colocan de modo variable en la cavidad de antena).

También se puede ver que el otro extremo 21 de la cavidad de antena se cierra con un pasador de cortocircuito 28 que penetra en la cavidad de antena con longitud variable, para modificar dicha cavidad con fines de regulación.

Es esencial que la pared separadora entre las cavidades de antena 21 y 22 y la cámara del resonador 20 lleve unas aberturas estrechas 30 que ocupen solamente una pequeña fracción de la superficie común entre las cavidades de antena y la cámara del resonador.

Con la puerta abierta se pueden introducir una o varias capas de granulado o polvo del combustible nuclear en el horno, que luego se cierra y se alimenta con el gas necesario para el tratamiento previsto. Este horno está pensado en principio para procesos de baja potencia, p.ej. para secar polvos o para pruebas de laboratorio en pequeñas cantidades. Si se trata de sinterizar grandes cantidades a temperaturas elevadas, sobre todo piezas moldeadas por prensado, es mejor, a diferencia de la figura 1, colocar el magnetrón y la citada instrumentación, con los aparatos de medida y los diafragmas, en transmisores de ondas y no en la propia cavidad de antena, donde corren peligro debido a la onda estacionaria que ahí se forma. Las medidas de la cámara paralelepipédica del resonador

\hbox{(50 cm}

de anchura, 30 cm de altura y 60 cm de longitud) tampoco están optimizadas. No obstante, es de especial importancia tener en cuenta que el acoplamiento de las microondas no se produce mediante un transmisor de ondas, cuya abertura hacia la cámara del resonador no supone casi ningún obstáculo para ellas y no genera prácticamente ninguna reflexión, sino que la extensa cámara del resonador está cerrada por sus dos caras frontales y, para desacoplar las microondas, lleva unas rendijas laterales 29, orientadas preferentemente en sentido longitudinal.

Preferentemente, las longitudes de los cantos de la sección perpendicular a la entrada de las microondas en la cámara del resonador representan como mínimo un cuarto y como máximo el cuádruple de la longitud de onda de las microondas generadas en el aire, siendo también posible (pero difícil de optimizar) una cámara resonante cilíndrica, siempre que posea una sección de área aproximadamente igual a la de una cámara resonante paralelepipédica definida por estos valores límite.

En el sentido longitudinal de la cavidad de antena, la abertura de las rendijas se puede ajustar a la frecuencia del magnetrón (2,45 GHz) o a la respectiva onda estacionaria y estar prefijada, pero su distancia al centro de la cavidad de antena determina la potencia irradiada a través de la rendija y puede ajustarse (p.ej. empíricamente). En la figura 2 se representa una sección de una cavidad de antena paralelepipédica, separada de la cámara del resonador por una pared divisoria 43 que se compone de varia chapas y que tiene una anchura d'. La pared divisoria posee una ventana 40 tapada ampliamente por una corredera 41, sostenida en la pared. En esta corredera 41 se ha practicado una ranura 42, cuya distancia d respecto a la línea central de dicha pared es por lo tanto variable.

La reducción de la energía irradiada a través de la rendija también puede lograrse, según la figura 3, mediante un disco giratorio 44 incorporado en la pared, provisto de la correspondiente rendija 45, de orientación variable dentro de la respectiva ventana 48. Aquí, la energía irradiada es prácticamente proporcional a la proyección de la rendija en sentido longitudinal, es decir, cuando está orientada en dirección longitudinal se cede la máxima energía. Las rendijas se pueden definir al proyectar el horno, haciendo pruebas empíricas en las condiciones de funcionamiento, y luego adoptarse en su construcción definitiva, pero puede ser necesario contrarrestar las oscilaciones de temperatura durante el funcionamiento del horno mediante una variación correspondiente de las rendijas. Para ello, en la figura 3 se muestra una rueda motriz 46 del disco 44, accionada por un servomotor 47, para variar la posición de la rendija según el funcionamiento.

En la figura 4 se representa esquemáticamente un horno diseñado especialmente para sinterizar piezas del combustible nuclear moldeadas a presión, hasta obtener material sinterizado listo para usar en el reactor.

La pieza central de este horno 50 es la cámara del resonador 51, en forma de paralelepípedo alargado, que en dos lados opuestos entre sí tiene adosadas sendas cavidades de antena 53 separadas por una pared común (pared divisoria). En la pared común 52 se han practicado varias ranuras 54, cuya disposición se representa aquí arbitrariamente. Estas cavidades de antena 53 también son de forma paralelepipédica, pero tienen una sección algo menor, que coincide con la sección de los transmisores de ondas 55, los cuales forman un ángulo y desembocan en las cámaras del resonador. La flecha señala las conexiones eléctricas y la alineación del respectivo magnetrón 56, que sobresale del extremo cerrado del transmisor de ondas 55. Entre el magnetrón 56 y la desembocadura del transmisor de ondas en la cámara del resonador hay un zócalo para los instrumentos de medición, que registran separadamente las microondas de ida y vuelta, y se utilizan para un diafragma, como es usual en tales transmisores de ondas según el estado técnico.

La posición 58 indica que las cavidades pueden ir revestidas o rellenas con un aislamiento térmico (no representado en la figura,) que es ampliamente transparente para las microondas empleadas. Este tipo de aislamiento, colocado dentro del recinto cerrado por paredes reflectantes, también resulta ventajoso para la cámara del resonador (al menos para sus paredes no ranuradas), porque protege el material de las paredes contra la radiación térmica del combustible nuclear calentado. En las cavidades de antena no hay que temer tal radiación térmica y puede bastar con bruñir o pulir a espejo las paredes interiores o conseguir de otra manera una elevada reflexión y una baja absorción. Como los materiales usuales de aislamiento térmico, p.ej. el óxido de aluminio, empiezan a absorber microondas al aumentar la temperatura, puede ser ventajoso emplear para las cavidades de antena materiales que tengan menor absorción de microondas que el óxido de aluminio o bien prescindir del aislamiento térmico.

Además, la figura 4 muestra un tubo cerámico 59 que se extiende a lo largo de toda la cámara del resonador. Este tubo cerámico sirve por un lado para la entrada del producto por sinterizar (es decir, los lingotes brutos), que se desplaza a través del tubo. Por otro lado, el gas de sinterización también se introduce a través del tubo cerámico 59, con preferencia en sentido contrario al movimiento del producto por sinterizar.

En la figura 4 no se ha representado que el tubo cerámico 59 sale fuera de la cámara del resonador hacia una esclusa de gas, que permite la carga y descarga de la cámara del resonador con el producto por sinterizar y el gas de sinterización. Estas esclusas de gas están descritas en la citada patente PCT/EP 97/04513. La situación de estas esclusas de gas (omitida por razones de claridad) está señalada con la flecha 60. Es conveniente que, antes de entrar y salir de la cámara del resonador, el producto sinterizado pase a través de un tubo metálico 61 conformado en las paredes frontales de la cámara del resonador, el cual puede estar construido como prolongación o envoltura concéntrica del tubo cerámico 59. Este tubo metálico suprime en su interior el campo de microondas, es decir a la entrada y a la salida del producto sinterizado, evitando su propagación al exterior. Por otro lado, esta zona exenta de radiación, situada junto a las paredes frontales del cámara del resonador, puede servir ventajosamente como tramo de calefacción o enfriamiento del combustible nuclear. Por lo tanto, si el combustible nuclear se introduce en el horno desde la pared frontal de la izquierda, se transporta a través del tubo cerámico 59 y se saca por el extremo posterior, la contracorriente indicada por la flecha 62, que al principio tiene baja temperatura, puede enfriar el combustible caliente sinterizado que sale por el extremo posterior y luego calentarse dentro del horno mediante el contacto con el combustible caliente, precalentando a la salida el combustible frío alimentado por el extremo anterior.

En la figura 5 se representa prácticamente el mismo horno de la figura 4. Aparte de la disposición de las rendijas, tratada luego en detalle, se diferencia solamente en que las microondas salientes de las rendijas 70 se dirigen directamente al tubo cerámico 71 que transporta el producto sinterizado, sin ningún material aislante intermedio. En cambio, el aislamiento térmico de la pared divisoria entre la cámara del resonador 72 y una de ambas cavidades de antena 73 está realizado mediante unas capas aislantes 74 colocadas en este caso fuera de las paredes metálicas de la cámara del resonador 72. Por lo tanto, aquí se emplea como pared divisoria una estructura de paredes individuales colocadas paralelamente a poca distancia entre sí. La entrada de las microondas irradiadas desde las cavidades de antena 73 en las rendijas 70 a los lados de la cámara del resonador tiene lugar a través de unas tubuladuras 76, que a su vez pueden estar envueltas con material aislante.

Sin embargo, dentro de la cámara del resonador 72, las paredes alargadas no ranuradas llevan un revestimiento de material aislante 78, que evita el calentamiento de las paredes laterales y protege al personal del contacto con partes sobrecalentadas. Asimismo se indica que las esclusas de gas están colocadas en sendas carcasas 77 adosadas a las paredes frontal y trasera de la cámara del resonador. Preferentemente las paredes metálicas del lado frontal y trasero de la cámara del resonador no están aisladas, en cambio este aislamiento se aplica más bien a la carcasa 77 de las esclusas de gas, de modo que estas carcasas 77 forman en la práctica una zona de calefacción y enfriamiento no afectada por las microondas.

Este aislamiento según la figura 5 solo se realiza, preferentemente, en caso de tener que trabajar en el margen superior de las temperaturas de sinterización previstas (de unos 1800 a 1850ºC) y si resulta que las piezas cerámicas corrientes de óxido de aluminio, muy porosas, están acopladas demasiado fuertemente a la radiación que sale directamente de las rendijas y no pueden resistir por mucho tiempo las respectivas cargas térmicas.

Alternativamente también se puede probar el uso en estas partes de material fibroso, p.ej., en lugar de piezas sólidas muy porosas.

La figura 6 muestra un corte a través de las paredes metálicas de la cámara del resonador 51 y de las cavidades de antena 53 del horno según la figura 4. La sección de la cámara del resonador está definida por las dimensiones que en la técnica de microondas para los respectivos transmisores de ondas son conocidas y denominadas como "R22", mientras que a la sección de las cavidades de antena 53 le corresponde una sección de transmisor de ondas denominada "R26". Como medidas de la cámara del resonador se eligió

\hbox{a = 108 mm,}

b = 54 mm y para las cavidades de antena c = 86 mm y d = 43 mm.

Las paredes 80, soldadas con piezas angulares de acero de 3 mm de grosor, están montadas con bulones de rosca 80', que a su vez sostienen unas chapas de Inconel de 1 mm de grosor, en las cuales se han abierto las citadas rendijas de la pared divisoria entre las cavidades de antena y la cámara del resonador.

Asimismo, la figura 6 muestra que la sección de la cavidad de antena 51 está prácticamente llena con dos bloques cerámicos 80a y 80b de óxido de aluminio (Al_{2}O_{3}), uno encima del otro, dejando solamente en el centro un espacio 80c para el citado tubo cerámico 59. En este espacio 80c puede haber soportes 80d en algunas posiciones, para asegurar el tubo 59.

La sección de las cavidades de antena también se corresponde con la sección del transmisor de ondas, uno de cuyos extremos desemboca en una cavidad de antena, mientras que el otro extremo lleva el radiador de microondas asignado a dicha cavidad. La potencia de estos radiadores de la figura 4 es respectivamente de 1,25 kW. Con esta potencia se sinterizaron pellets a unos 1200ºC en atmósfera de CO_{2} o a 1300ºC en atmósfera de H_{2}, de modo que los pellets absorbieron unos 140 W durante la sinterización, 80 hasta 150 W fueron absorbidos y transportados por el gas de sinterización, y 200 W fueron reflejados hacia el radiador.

Para conseguir una sinterización rápida a temperaturas elevadas y a potencia respectivamente alta (hasta 2 kW) se eligió una altura b de la cámara del resonador b = 100 mm, manteniendo igual las demás medidas. La longitud de las cavidades de antena y de la cámara y el camino de las microondas entre el magnetrón y la entrada a la correspondiente cavidad de antena fue de 1,1 m aproximadamente.

Con dicha longitud, el tubo cerámico 59 (figura 7) se puede hacer de una sola pieza. Basta luego que los lingotes brutos 81 puedan desplazarse uno tras otro a través del tubo cerámico, mediante un dispositivo mostrado en la patente PCT/EP 97/04513, y recogerse una vez sinterizados por el otro extremo.

Mediante la alimentación a una cavidad de antena 82 con dos magnetrones, de los que en la figura 7 solo se indica la radiación microondas 83 que sale de la rendija, los respectivos 2 kW proporcionan a la cámara del resonador 84 bastante potencia para sinterizar varias capas de combustible nuclear, sin que esta multiplicidad de paso aumente de manera significativa las pérdidas de calor.

Para ello hay que procurar que el combustible nuclear esté repartido de modo casi centrado alrededor del eje central de la cámara del resonador a través de su sección. En la figura 8 se muestra un soporte adecuado para conducir en la cámara del resonador 85 tres columnas de pellets 86 por un tubo propio 87.

Los hornos de microondas aquí descritos no están limitados al uso de lingotes brutos moldeados a presión, que se introducen en un tubo por el lado frontal y se extraen por el lado posterior. También es posible introducir en el horno el combustible nuclear p.ej. mediante navetas u otros soportes, p.ej. solo por el lado frontal, del cual luego se pueden volver a sacar. En estos casos también es ventajoso no cargar toda la cámara del resonador con gas de sinterización, sometiendo de esta manera sus paredes a una atmósfera agresiva, sino conducirlo por un tubo cerámico impermeable a los gases, como p.ej. el tubo 88 representado en la figura 8, que abarca el soporte para varias capas del combustible nuclear.

Para la sección de la cámara del resonador perpendicular a las paredes ranuradas, según la figura 8, se eligen las medidas a = 30 cm y b = 20 cm. En este caso también se pueden prever ventajosamente, p.ej., seis soportes para el combustible, que pueden situarse, p.ej., alrededor del punto central de la sección, en los ángulos de un hexágono regular. Además, en el mismo eje central se puede prever otro soporte de combustible, con lo cual se pueden sinterizar simultáneamente siete capas de combustible nuclear.

Si se incrementa la velocidad de transporte del combustible por el tubo, a fin de subir el rendimiento, habrá que aumentar la longitud del horno. En tal caso se instalan, una tras otra, dos cámaras resonantes construidas según las consideraciones expuestas, con lo cual, la cámara del resonador resultante está formada por dos cámaras parciales, atravesadas por un soporte de combustible. En el caso más simple, las dos cámaras parciales están conectadas entre sí mediante un diafragma, a fin de desacoplar los campos de microondas de ambas cámaras. Pero también cabe la posibilidad de trabajar sin un diafragma que apantalle mutuamente ambas cámaras. Aquí se puede trabajar con un solo tubo cerámico de longitud apropiada, como soporte del combustible. No obstante, también se pueden emplear dos tubos conectados en serie, unidos mediante un manguito.

Para desacoplar las microondas de la onda estacionaria formada en la cavidad de antena, es conveniente que la pequeña distancia entre el centro de una abertura y su borde no sea superior a un 4% de la longitud de onda. Para la frecuencia de 2,45 GHz aquí utilizada, se eligió una rendija de aproximadamente

\hbox{5 mm}

de anchura (inferior en cualquier caso a 10 mm). En la otra dirección, la abertura puede ser más ancha (hasta casi la mitad de la longitud de onda). En estas condiciones no se observó ninguna descarga entre los bordes metálicos de las rendijas. La distancia entre los puntos medios de estas aberturas debería ser, como mínimo, una mitad de la longitud de onda. Por lo tanto, la proporción de superficie ocupada por las aberturas en la pared divisoria de la cavidad de antena se restringe a menos del 5%. Para las cavidades de antena prolongadas, las rendijas en dirección longitudinal no están ordenadas sobre la línea central de una pared lateral de la cavidad de antena, sino traspuestas respecto a la línea central, de manera que las rendijas pueden disponerse, p.ej., alternativamente a ambos lados. Se ha demostrado que es mejor que las rendijas en dirección longitudinal no estén distribuidas regularmente, sino que la alimentación de microondas emitidas por el radiador se encuentre cerca de un extremo de la cavidad de antena y las rendijas se extiendan a partir del otro extremo (por conveniencia, hasta la mitad o tres cuartas partes de la longitud de la cavidad). La distancia d de cada rendija a la línea central se optimizó del modo descrito en la figura 2, teniendo en cuenta que la distribución de temperatura en el combustible fuera lo más uniforme posible, para lo cual se partió de una distancia d uniforme de unos 15 mm.

Hay que señalar que los detalles mostrados en las figuras 2 a 9 de cada uno de los ejemplos prácticos se pueden traspasar a otros ejemplos de ejecución.

En la figura 9 se representa la distribución resultante de temperaturas y la situación de las rendijas. El 91 indica el punto donde un transmisor de ondas desemboca en su correspondiente cavidad de antena, mientras que 92 señala la forma y la posición longitudinal de las rendijas en la pared entre dicha cavidad y la cámara del resonador. Respectivamente, la desembocadura del otro transmisor de ondas en la otra cavidad de antena está representada por 93, y la posición y la forma de las rendijas en la pared entre la otra cavidad y la cámara del resonador por 94. En este caso se usó el horno de la figura 7. Todas las rendijas 92 pertenecientes a una cavidad de antena están situadas a un lado de la mitad posterior de la cámara del resonador, mientras que todas las rendijas 94 pertenecientes a la otra cavidad de antena se sitúan de manera diametralmente opuesta.

El combustible nuclear estaba formado por pellets normales de óxido de uranio, que se desplazaban con una velocidad de 4,4 mm/min. a través del horno, cuya longitud total era de 1,1 m. Tras un tiempo de calentamiento relativamente breve, la curva de distribución de temperaturas representada permaneció prácticamente constante. La densidad de sinterización de los pellets resultó muy homogénea, con unos valores idóneos de 10,2 a 10,6 g/cm^{3}. La temperatura aquí aplicada es bastante más baja que la temperatura necesaria para sinterizar un sólido de igual densidad en los hornos convencionales, ya que al sinterizarlo con microondas, el combustible solo se calienta moderadamente por contacto con los gases calientes o por absorción de radiación térmica a través de la superficie, pero en cambio absorbe la radiación de microondas en todo el volumen. Por lo tanto se acortan los tiempos de sinterización y/o se puede trabajar a temperaturas mucho más bajas. Cuando se afirma que la sinterización de cerámica por microondas requiere mayores temperaturas, hay que atribuirlo a métodos de medición incorrectos (el mismo sensor de medición se calienta con las microondas), y las pérdidas de energía elevadas denotan una tecnología insuficiente.

Así se puede diseñar, sin excesivo esfuerzo experimental, un procedimiento y un horno para el tratamiento térmico a escala industrial de combustible nuclear, a elevadas temperaturas mediante microondas.

Claims (47)

1. Procedimiento para tratar combustible nuclear en un horno de microondas (1), caracterizado porque mediante un radiador de microondas se mantiene una onda estacionaria en una cavidad de antena (53) y el combustible nuclear se introduce en una cámara resonante (51) alimentada a través de una serie de aberturas estrechas (54) con microondas procedentes de la cavidad de antena (53).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el radiador de microondas que mantiene la onda estacionaria alimenta la cavidad de antena mediante un transmisor de ondas.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque a través de cada abertura (54) se irradian en la cámara del resonador (51) distintas potencias, ajustadas a un perfil de temperatura definido para el combustible nuclear.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el combustible nuclear se mantiene en un tubo (59) relleno de gas de sinterización (62) y se calienta por microondas a temperaturas entre 20 y 2200ºC, preferentemente a una temperatura media entre 1400 y 1800ºC.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el combustible nuclear se introduce por un lado del horno (1), mientras que durante la sinterización se transporta a través del horno y se saca por el otro lado.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque se introduce un gas de sinterización (62) contra el sentido del transporte del combustible nuclear, preferentemente en un tubo (59) de cerámica que contiene el combustible nuclear, a través de la cámara del resonador (51).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se usa una cámara resonante (51) alargada de forma paralelepipédica y las aberturas estrechas (54) están colocadas de manera opuesta entre sí en dirección longitudinal.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque como aberturas estrechas se emplean rendijas (54).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque las aberturas estrechas de conexión (42, 54) están practicadas en partes (41) de una pared (43) de la cámara del resonador (51) o de la cavidad de antena (52) y se mantienen móviles en otras partes de la pared (43), de modo que, variando la posición de las aberturas de conexión, se establece un perfil de temperatura definido en el combustible nuclear.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se usa una cavidad de antena (53) alargada, con una sección adaptada a la frecuencia del radiador de microondas (56), y una cámara resonante (51), paralela a aquella y de longitud aproximadamente igual, pero de sección mayor.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque en la cámara del resonador (51) se colocan varias capas (86) del combustible nuclear.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque el combustible nuclear (86) se reparte prácticamente de manera simétrica alrededor del eje central de la cámara del resonador (51), a través de la sección de la cámara del resonador (51).

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque desde un segundo radiador de microondas (56) se alimentan microondas a una segunda cavidad de antena (53) que asimismo irradia microondas en la cámara del resonador (51), por una serie de aberturas estrechas de conexión.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque, como máximo, son cuatro las cavidades de antena que alimentan microondas en la cámara del resonador (51).

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se generan microondas con una frecuencia comprendida entre 0,4 y 30 GHz, preferentemente unos 915 MHz o 2,45 GHz.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el combustible nuclear se introduce por un tubo metálico (61) a través de la cámara del resonador (51) y se extrae de la cámara del resonador (51).

17. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 16, caracterizado porque el combustible nuclear se introduce en la cámara del resonador (51) a través de una cámara (77) prácticamente libre de microondas y llena de gas de sinterización caliente, y se extrae de la cámara del resonador (51) por una cámara (77) prácticamente libre de microondas y llena de gas de sinterización frío.

18. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque el combustible nuclear se conduce a través de un aislamiento (80a, 80b) colocado dentro de la cámara del resonador (51), que aísla contra la radiación térmica.

19. Horno microondas con una cámara resonante alargada (51), un canal hueco alargado, adosado por fuera a lo largo de un lado de la cámara resonante (51), y un transmisor de ondas (55) que desemboca por un extremo en el canal hueco y está cerrado por el extremo contrario, donde lleva un radiador de microondas (56), de modo que el canal hueco está separado de la cámara resonante por una pared divisoria (52) y unido a la cámara resonante (51) mediante una serie de rendijas (54) en dicha pared divisoria, enfrentadas entre sí en sentido longitudinal de la cámara, y además, la cámara resonante (51) está blindada por todos los lados con paredes reflectantes de las microondas, excepto en unos accesos para la introducción y la extracción del producto, caracterizado porque, para elaborar piezas sinterizadas de combustible nuclear, sinterizando lingotes brutos moldeados a presión en un gas de sinterización a temperaturas medias comprendidas entre 1200 y 1800ºC,

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se prevé un sistema de gasificación y desgasificación (62) de la cámara resonante, y en la cámara resonante (51) un soporte prolongado (59) para el material en forma de lingotes brutos, y

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el canal hueco largo, con la pared divisoria que lleva las rendijas está cerrado por un lado frontal, formando una cavidad de antena (53) que, menos en la desembocadura del transmisor de ondas (55) y en las rendijas (54), está blindada por todos lados con paredes reflectantes de las microondas y ajustada para generar una onda estacionaria.

20. Horno según la reivindicación 19, caracterizado porque al menos el 95% de un lado de la cavidad de antena (21) está formado por la pared divisoria (4) y como máximo el 5% está formado por la unión con la cámara del resonador (20).

21. Horno según la reivindicación 19, caracterizado porque el transmisor de ondas (55) forma, como mínimo en el extremo abierto, un tramo de canal recto con una sección rectangular ajustada a la frecuencia del radiador de microondas.

22. Horno según una de las reivindicaciones 19 y 21, caracterizado porque en el transmisor de ondas (55), entre el radiador de microondas (56) y la desembocadura en la cavidad de antena (53), se intercala un diafragma (57).

23. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 22, caracterizado porque la frecuencia del radiador de microondas (56) es de 0,4 hasta 30 GHz, preferentemente 915 MHz o 2,45 GHz.

24. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 23, caracterizado porque el radiador de microondas (56) es un magnetrón o un klistrón.

25. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 24, caracterizado porque la potencia del radiador de microondas (56) está comprendida entre 1 y 4 kW.

26. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 25, caracterizado porque la cavidad de antena (53) es de forma paralelepipédica.

27. Horno según la reivindicación 26, caracterizado porque la longitud de la cavidad de antena (21) es variable mediante un disco de cierre (28) con una superficie reflectante de las microondas.

28. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 27, caracterizado porque la cámara del resonador (51) está conectada mediante rendijas (54) con al menos otra cavidad de antena (53), en la cual desemboca otro transmisor de ondas (55) que lleva otro radiador de microondas (56).

29. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 28, caracterizado porque la cámara del resonador consta de dos cámaras parciales colocadas en serie, unidas respectivamente mediante una serie de rendijas con al menos una cavidad de antena alimentada por un radiador de microondas, y el soporte del combustible se prolonga a través de ambas cámaras parciales.

30. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 29, caracterizado porque el transmisor de ondas (55) y la cavidad de antena (53) tienen la misma sección.

31. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 30, caracterizado porque la cámara del resonador (51) presenta una sección de forma paralelepipédica -sobre todo en su lado formado por la pared divisoria (52)- mayor que la sección de cavidad de antena (53).

32. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 31, caracterizado porque los lados de la sección de la cámara del resonador (51) tienen una longitud mínima de un cuarto y máxima del cuádruple de la longitud de onda de la radiación de las microondas.

33. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 32, caracterizado porque en la cámara del resonador (51) está colocado un aislamiento térmico (80a, 80b) transparente a las microondas, entre el combustible nuclear y las paredes.

34. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 33, caracterizado porque las paredes de la cámara del resonador y/o de la cavidad de antena están pulidas a espejo o bruñidas.

35. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 34, caracterizado porque en la cámara del resonador (85) se colocan varios soportes (87) para las respectivas capas (86) del combustible nuclear.

36. Horno según la reivindicación 35, caracterizado porque el combustible nuclear (86) se coloca en las capas de manera prácticamente simétrica alrededor del eje longitudinal de la cámara del resonador (85).

37. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 36, caracterizado porque el soporte envuelve un tubo (88, 59) de cerámica, situado aproximadamente en el centro de la cámara del resonador (85), que contiene el combustible y se extiende por toda la cámara del resonador (51).

38. Horno según la reivindicación 37, caracterizado porque el sistema de gasificación y desgasificación (62) desemboca en el interior del tubo (59).

39. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 38, caracterizado porque el sistema de gasificación y desgasificación comprende como mínimo una esclusa de gas (77), que al mismo tiempo forma la entrada a la cámara del resonador (51).

40. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 39, caracterizado porque el acceso para la introducción y extracción comprende un tubo metálico (60, 61) situado fuera de la cámara del resonador (51), a través del cual se transporta el combustible.

41. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 40, caracterizado porque al menos una rendija (42, 45) de la pared se puede mover, preferentemente girando un disco movible (44) o desplazando un disco movible (41) alojados en la pared.

42. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 41, caracterizado porque las rendijas (92, 94) están desplazadas entre sí en la dirección longitudinal de la cámara del resonador (51).

43. Horno según la reivindicación 42, caracterizado porque las rendijas (92) en una pared divisoria de una cavidad de antena están todas situadas a un lado respecto a la dirección longitudinal de la pared divisoria.

44. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 43, caracterizado porque como máximo el 5% del lado de la cavidad de antena (53) formado por la pared divisoria lo constituyen las rendijas.

45. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 44, caracterizado porque la anchura de la rendija es como máximo el 8% de la longitud de onda de las microondas en el aire.

46. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 45, caracterizado porque sobre paredes opuestas entre sí de la cámara del resonador (51) están conectadas dos cavidades de antena mediante rendijas con la cámara del resonador (51) y están separadas de ella mediante una respectiva pared divisoria, y porque las rendijas están situadas en zonas de ambas paredes

\hbox{divisorias}

no opuestas entre sí.

47. Horno según una de las reivindicaciones 19 a 46, caracterizado porque tiene paredes de acero o de otro material que resiste térmicamente hasta 800ºC y es químicamente estable.