Teniendo en cuenta los diámetros interno y externo del reactor, las necesidades de barrido angular (40º) y el ancho del haz de rayos X, las dimensiones de las ventanas para las láminas de Be quedaron fijadas en 10.5 x 18 mm. Para la determinación del espesor de las ventanas se analizó la oferta de láminas de Be en el mercado local e internacional. A partir de ello, se optó por la selección de láminas de 0.5 mm, máximo espesor estándar ofrecido.
Para analizar el comportamiento de estas láminas a la máxima presión de trabajo se realizó una primera estimación de las tensiones a las que estarán sometidas y se analizaron alternativas viables a fin de conseguir condiciones seguras adoptando
de fluencia del material de la lámina. Para esto se modeló un diseño simplificado: una ventana con las dimensiones necesarias (10.5 x 18 x 0.5 mm) sometida a presión interna. Las condiciones de borde utilizadas fueron: presión uniformemente distribuida aplicada a la cara inferior de la lámina con un valor de 6 MPa, empotramiento de las cuatro carlas laterales verticales, el material es Berilio. En la Figura 4.10 puede observarse el resultado de esta simulación. El mismo indica que la distribución de las tensiones máximas, aun en los puntos no críticos, superan ampliamente la tensión de fluencia del material (240 MPa [33]), por lo tanto no es satisfactorio.
Figura 4.10: Distribución de tensiones de von Mises obtenida de la simulación con elementos finitos del comportamiento de las ventanas de Be sometidas a una
presión de 6 MPa.
Dado que no se consiguen en el mercado láminas estándar de mayor espesor, se debe entonces reducir el área de la lámina sometido a presión de manera tal que la tensión a la que está sometido el material disminuya. Luego de ser analizadas distintas alternativas, que incluyen la posibilidad de maquinado en talleres propios, se definió un diseño en el cual las láminas de Berilio se apoyan contra un enrejado metálico consistente en ranuras radiales en el cuerpo cilíndrico del reactor. En la Figura 4.8 y en la Figura 4.9 puede observarse el mencionado diseño donde las ventanas de Berilio quedan adheridas desde el interior del reactor al enrejado utilizado como soporte. Para fijar las láminas al reactor se utiliza un adhesivo que será descripto más adelante en este mismo apartado.
En la Figura 4.11 se muestra la distribución de tensiones para la solución adoptada, puede observarse que la misma cumple con los requisitos ya que la tensión máxima a la que está sometida cada ventana de Berilio es de 80 MPa, lo cual corresponde a 1/3 de la tensión de fluencia. Las condiciones de borde utilizadas para este caso
con un valor de 6 MPa, empotramiento de las diez caras laterales verticales externas del enrejado, el material de la lámina inferior es Berilio, el material del enrejado es Acero Inoxidable ASISI 304.
Una vez construido el dispositivo diseñado, y con el fin de comprobar los resultados obtenidos a partir de las simulaciones, se realizaron ensayos previos al montaje de las láminas de Berilio. Para esto se montaron al reactor láminas de un acero con resistencia similar al Berilio pero de 0.3 mm de espesor y se lo sometió a condiciones de presión de hidrógeno y temperatura más exigentes que las de funcionamiento a través de un número elevado de ciclos de presuriza- ción/despresurización y calentamiento/enfriamiento. El comportamiento de las ventanas fue satisfactorio sin evidenciar deterioro ni pérdidas.
Figura 4.11: Distribución de tensiones de von Mises obtenida de la simulación con elementos finitos del comportamiento de las ventanas de Be apoyadas contra el
enrejado metálico sometidas a una presión de 6 MPa.
Debido al delgado espesor de las ventanas se descartó el método de soldadura para unir las mismas al cuerpo principal del reactor ya que podría debilitar el material. Como alternativa a la soldadura se optó por unir las ventanas mediante un adhesivo compuesto por una resina epoxi en pasta de dos componentes marca Araldite tipo 2014 (AW 139/XB 5323). Con el objetivo realizar una caracterización parcial de las propiedades del adhesivo y compararlas con las informadas por el fabricante, se realizaron ensayos de la resistencia mecánica del mismo. Para ello se prepararon probetas para realizar ensayos de tracción y de corte en una máquina marca Instron 5567 la cual cuenta con una cámara de alta temperatura.
Para el ensayo de resistencia a tracción se utilizaron probetas cilíndricas de acero de 31 mm de diámetro con las superficies unidas por las bases, perpendiculares al eje de tracción (ver detalle en Figura 4.12). La aplicación del adhesivo se realizó
ensayos fueron realizados a velocidad de desplazamiento constante de 0.05 mm/min y 0.1 mm/min. En la Figura 4.12 pueden observarse los resultados obtenidos: la resistencia a la tracción es mayor a 25 MPa para ambos casos. Aunque no se consideraron en el análisis los posibles efectos por desalineación de las barras o diferencias involuntarias en el pegado, ni se estudió la repetibilidad de las observaciones, los experimentos realizados permiten observar la coincidencia entre los resultados de ambas mediciones realizadas con parámetros diferentes. Se destaca que estos valores son similares a los declarados por el fabricante.
Dependiendo del diseño, aparecerán esfuerzos de tracción/compresión y de corte sobre el adhesivo. Por completitud de la caracterización se estudió además el efecto de los esfuerzos de corte sobre láminas pegadas con este pegamento. Para ello se prepararon probetas utilizando tres láminas de acero de 100 x 19 x 2 mm. En la Figura 4.13 se presenta un detalle del preparado de las muestras: la lámina central se encuentra adherida a las otras dos con una superficie de contacto de 10 x 19 mm. Se utilizaron dos velocidades de deformación: 0.1 mm/min y 0.5 mm/min. Para estos ensayos se prepararon las superficies de contacto siguiendo diferentes procedimientos con el fin de estudiar la influencia de estas variaciones: 1) arenado de una sola superficie, 2) arenado de ambas superficies de contacto. En todos los casos se utilizó acetona para limpiar el material antes de aplicar el adhesivo.
Figura 4.12: Ensayo de resistencia a tracción del adhesivo con el cual fueron pegadas las ventanas de Berilio.
Tal como se observa en la Figura 4.13, la resistencia del adhesivo no varía al incrementar la velocidad del ensayo o con el arenado. Durante el ensayo el adhesivo se mantiene pegado a las superficies de las probetas y el fallo se produce por rotura del adhesivo. Se muestran además en la Figura ensayos de resistencia al corte realizados a 80 ºC. Como resultado, se determinó que la resistencia del adhesivo disminuye al aumentar la temperatura: mientras en los ensayos a temperatura ambiente se logró una resistencia entre 25 y 27 MPa (la resistencia declarada por el fabricante es de 18 MPa), en los ensayos a 80 ºC la rotura se produjo entre 12 MPa y 15 MPa (resistencia declarada por el fabricante a 80 ºC: 17 MPa). Es importante destacar que se encontró poca dispersión en el valor de tensión a rotura entre los distintos ensayos.
Figura 4.13: Ensayo de resistencia a corte del adhesivo con el cual fueron pegadas las ventanas de Berilio.
A fin de determinar la capacidad de sello del adhesivo sometido a hidrógeno a alta presión, se realizaron pruebas de estanqueidad. Para esto se utilizó un reactor de un equipo volumétrico al cual se le practicó una perforación pasante de 6 mm de diámetro la cual fue rellenada con una capa de adhesivo de 5 mm de espesor y se lo cargó con hidrógeno a 6 MPa. A temperatura ambiente no se detectaron pérdidas y la presión se mantuvo constante durante 24 h dentro del rango de precisión del equipo (1 kPa). Sometido a temperatura, y aún bajo presión, no se detectaron pérdidas hasta los 310 ºC, temperatura a la cual se produjo la rotura del adhesivo.
En cuanto a los efectos de la lámina de Be sobre los rayos X, se verifica que pese al delgado espesor de las láminas y la baja absorción de rayos X del Berilio igualmente se produce una importante atenuación de la intensidad del haz al atravesar las ventanas. También contribuye a la atenuación la porción de la intensidad incidente que no atraviesa el Berilio debido a que impacta contra enrejado de soporte de las ventanas. Para cuantificar estos efectos se realizaron tres mediciones utilizando un patrón de silicio, una lámina de Berilio metálico (99% de pureza) similar a las que se utilizan como ventana y el reactor de rayos X previo al pegado de las ventanas. El resultado de estas mediciones se muestra en la Figura 4.14. Se presentan los difractogramas del patrón de silicio con la lámina de Berilio apoyada sobre este (curva color verde), el difractograma de silicio sin la lámina de Berilio (azul) y el difractograma del silicio colocado dentro del reactor sin las ventanas de Berilio montadas (rojo). Para ángulos entre 25º y 90º el silicio exhibe seis picos de difracción. Se calculó el área de cada pico en las tres mediciones con lo cual se determinó que la atenuación debida a ambos efectos es de aproximadamente 80%. En el caso de la primer medición (silicio + Berilio), se observó que junto a los picos del silicio están presentes los picos del Berilio, eso no sucederá en el funcionamiento normal del reactor ya que Berilio no se encontrará en el plano de difracción.
Figura 4.14: Mediciones para determinar la atenuación de intensidad del haz de rayos x: patrón de silicio (azul), patrón de silicio con ventana de Berilio apoyada sobre él (verde), patrón de silicio introducido dentro del reactor previo al montaje