Aplicaciones innovadoras de la radiografía de neutrones en las industrias de energía y manufactura

Introducción

En los sectores de energía y manufactura en constante evolución, la demanda de operaciones seguras, fiables y eficientes nunca ha sido mayor. Los métodos de ensayos no destructivos (NDT) se han vuelto esenciales para garantizar la integridad de materiales y sistemas en estas industrias. Una técnica avanzada de imagen que está ganando protagonismo es la radiografía de neutrones, con aplicaciones en la energía nuclear, petróleo y gas (exploración y perforación), y energías renovables, también desempeñando un papel cada vez más importante en los procesos de manufactura.

Al proporcionar imágenes de alta resolución de la estructura interna de varios materiales, la radiografía de neutrones está transformando la forma en que las industrias aseguran la calidad, detectan fallos y optimizan operaciones.

¿Qué es la radiografía de neutrones?

La radiografía de neutrones, también conocida como imagen de neutrones, es una técnica de prueba no destructiva que utiliza neutrones de baja energía (neutrones térmicos) para crear imágenes detalladas de la estructura interna de un objeto. A diferencia de los rayos X o los rayos gamma, que interactúan principalmente con materiales más densos como los metales, la radiación de neutrones interactúa con mayor fuerza con elementos más ligeros, como el hidrógeno. Esto hace que la radiografía de neutrones sea especialmente útil para examinar materiales que son difíciles de inspeccionar con métodos convencionales.

La radiografía de neutrones puede visualizar materiales con alto contenido de hidrógeno como agua, aceite, caucho, plásticos e incluso explosivos. Algunas fuentes comunes de neutrones para esta técnica incluyen reactores nucleares, aceleradores de partículas y radioisótopos como el Californium-252.

Aplicaciones en la industria energética

Energía atómica

En el sector de la energía nuclear, la radiografía de neutrones se utiliza para inspeccionar componentes críticos como las barras de combustible. Una barra de combustible, que contiene pellets de uranio fisible, debe tener una distribución uniforme de pellets en su interior. Cualquier pellet roto o deformado puede generar un comportamiento errático dentro de un reactor nuclear, lo que podría comprometer la seguridad. La radiografía de neutrones permite realizar inspecciones minuciosas de estas barras de combustible sin desarmarlas, garantizando su integridad estructural antes de su uso.

Partes de motores de turbinas

Los motores de turbinas utilizados en plantas de energía y motores de aviones dependen de complejos canales de enfriamiento para mantener temperaturas de operación seguras. La imagen de neutrones ha demostrado ser particularmente útil para inspeccionar estos canales de enfriamiento, ya que puede detectar material residual del núcleo o imperfecciones internas que podrían afectar el rendimiento y la vida útil de los componentes de la turbina.

Para ello se introduce en los canales trazadores (método de etiquetado) o isótopos (método de dopaje), ambos elementos con una alta sección transversal de neutrones (probabilidad de interacción con neutrones elevada) que permiten obtener una imagen precisa de los sistemas de enfriamiento, ayudando a prevenir el sobrecalentamiento o fallos mecánicos.

En el etiquetado de contraste con gadolinio, el cual posee una sección transversal de neutrones extremadamente alta, se lava un lote de álabes de turbina en una solución de tinte rica en gadolinio. Luego se puede enjuagar el gadolinio de las aspas, excepto cualquier cantidad de tinte que se deposite en los fragmentos de cerámica atrapados en los canales de enfriamiento¹. Al ejecutar el ensayo se obtiene una imagen donde se puede visualizar claramente el estado de los canales de refrigeración internos.

Petróleo y gas

En la industria del petróleo y gas, la radiografía de neutrones se emplea en estudios geológicos para evaluar el comportamiento de los fluidos a través de muestras de roca extraídas de perforaciones. Este proceso es crucial para entender la porosidad de la roca y la saturación de fluidos, ambos factores clave para determinar la viabilidad de la extracción de petróleo.

Mediante el uso de la técnica radiográfica avanzada de Tomografía Computarizada (CT), se obtienen imágenes de radiografía de neutrones para simular condiciones de flujo forzado de vapor, agua o petróleo a través de muestras de roca, lo que permite a los ingenieros optimizar las técnicas de extracción para una máxima eficiencia.

Hidrógeno verde

El hidrógeno verde, producido mediante electrólisis impulsada por fuentes de energía renovable, es una solución emergente para la energía sostenible. La radiografía de neutrones es una herramienta invaluable en la inspección de electrolizadores, que son cruciales para la producción de hidrógeno. Al visualizar los componentes internos de los electrolizadores en tiempo real o en condiciones cercanas a la operación, la radiografía de neutrones puede detectar defectos materiales o ineficiencias en el sistema. Esto ayuda a optimizar el proceso de producción, asegurando la generación confiable de hidrógeno verde y reduciendo los costos operativos.

Baterías de iones de litio

Las baterías de iones de litio, son fundamentales para el almacenamiento de energía en tecnologías renovables y vehículos eléctricos. Este método radiagrafico no destructiva permite la caraceterizacion de las baterías, proporcionando información sobre la redistribución de litio, el consumo de electrolitos y la formación de gas durante su operación.

Estudios recientes² han combinado tomografía computarizada (TC) de rayos X y de neutrones para analizar el funcionamiento de una celda cilíndrica de ion de litio de Duracell durante la descarga. La TC de rayos X muestra detalles estructurales internos, diferenciando la malla de níquel del colector de corriente (figura 1 a), mientras que la TC de neutrones revela procesos electroquímicos clave, como el transporte de iones de litio y la descomposición del electrolito (figura 1 a). Informaciónes fundamentales para optimizar el rendimiento y la vida util de las baterías.

Aplicaciones innovadoras en manufactura

Inspección de componentes fabricados por manufactura aditiva

La manufactura aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, ha revolucionado la producción de componentes complejos en varias industrias, incluidas la aeroespacial, automotriz y energética. La radiografía de neutrones desempeña un papel importante en la garantía de calidad de estos componentes. A diferencia de los métodos de inspección tradicionales, que pueden tener dificultades para penetrar materiales densos o geometrías complejas, la imagen de neutrones puede revelar defectos internos, como vacíos, grietas o capas incompletas, sin dañar la pieza. Esto la convierte en una herramienta ideal para verificar la integridad de los componentes impresos en 3D utilizados en aplicaciones de alta exigencia.

Inspección de soldaduras por arco sumergido (SAW)

El boro tiene una sección transversal de neutrones extremadamente grande que lo hace útil como agente de contraste en imágenes de neutrones, entre otras cosas. En el proceso de soldadura de arco sumergido (SAW), el fundente de soldadura, que contiene grandes cantidades de boro, atenúa los neutrones en comparación con metales como el cobre. Esto hace que las imágenes de neutrones sean útiles para evaluar la calidad de las soldaduras y garantizar que no queden restos indeseables de fundente en una pieza soldada² complementando así la radiografía con rayos X o gamma para la evaluación de la calidad de la junta soldada.

Inspección de componentes de defensa militar

En la industria armamentística, la radiografía por neutrones tiene gran aplicación en la garantía de calidad de municiones, armamentos o componentes de armas y sistemas de defensa. La radiografía por neutrones, puede revelar fallas y defectos en objetos como municiones, cargas útiles de misiles, mecanismos de expulsión y otros componentes críticos con altos costos de falla sin desmantelarlos.

Inspección de materiales compuestos

Los materiales compuestos, que se utilizan ampliamente en la industria manufacturera por sus propiedades de resistencia y ligereza, son difíciles de inspeccionar utilizando métodos convencionales, incluyendo las técnicas radiográficas mediante el uso de rayos X o Gamma. La radiografía de neutrones sobresale en esta aplicación porque puede penetrar en estructuras compuestas densas y, al mismo tiempo, revelar características internas que podrían pasar desapercibidas para los rayos X. Esto es particularmente útil en industrias como la aeroespacial, donde la integridad de los materiales compuestos es fundamental para garantizar la seguridad de los componentes de las aeronaves.

Hoy en día se están fabricando componentes compuestos mediante impresión 3D, en espacial, en la industria aeronáutica, y la misma se ha ido incrementándose debido a su capacidad para construir diseños complejos de manera más eficiente y con menos desperdicio que los métodos sustractivos tradicionales. Aquí es donde la radiografía de neutrones complementa a los rayos X. Aplicados juntos, ambos pueden dar dos mitades de la imagen completa. La radiación neutrónica es especialmente útil para materiales compuestos de boro debido a la alta sección transversal del boro.

El futuro de la radiografía neutrónica

A medida que las industrias continúan demandando métodos de prueba no destructiva más sofisticados, la radiografía neutrónica está destinada a desempeñar un papel aún más importante en el futuro. Varias tendencias clave están moldeando el futuro de la radiografía neutrónica:

• Mejoras digitales: Los avances en tecnología de detección digital están mejorando la resolución y velocidad de la radiografía neutrónica, lo que permite inspeccionar volúmenes más grandes y componentes más complejos con mayor precisión.
• Fuentes de neutrones portátiles: El desarrollo de fuentes de neutrones portátiles está expandiendo la accesibilidad de la radiografía neutrónica, permitiendo inspecciones in situ en industrias como el petróleo y gas, energía y aeroespacial.
• Aumento de la automatización: La automatización del proceso de radiografía neutrónica está reduciendo la necesidad de intervención manual, haciendo que la técnica sea más rentable y escalable para aplicaciones industriales a gran escala.
• Técnicas de imagen híbridas: La combinación de la radiografía neutrónica con otras técnicas de imagen, como los rayos X e infrarrojos, está abriendo nuevas posibilidades para inspecciones más completas, particularmente en sistemas complejos donde pueden estar presentes múltiples tipos de defectos.

Conclusiones

A medida que las industrias de energía y manufactura enfrentan demandas cada vez mayores en términos de seguridad, eficiencia y sostenibilidad, la radiografía de neutrones está emergiendo como una herramienta revolucionaria. Su capacidad única para proporcionar inspecciones detalladas y no invasivas de infraestructuras críticas está ayudando a las empresas a operar de manera más segura, reducir costos y proteger el medio ambiente.

En el sector energético, la radiografía de neutrones está optimizando la inspección de barras de combustible nuclear, partes de motores de turbinas y baterías de iones de litio, mientras que en la industria manufacturera está asegurando la calidad de los componentes impresos en 3D, las soldaduras y los materiales compuestos. A medida que las industrias continúan innovando y evolucionando, la radiografía de neutrones ofrece un camino claro hacia operaciones más seguras, eficientes y fiables.

Esta técnica de NDT no es solo una herramienta para hoy: es un componente esencial del futuro tanto de la producción de energía como de la manufactura de alta tecnología.

Referencias

1. WILLOW ASCENZO. Neutron Radiography and Turbine Bladest; Consultado el 15 de Octubre de 2024. https://www.qualitymag.com/articles/96564-neutron-radiography-and-turbine-blades
2. Ralf F. Ziesche, y colaboradores; “4D imaging of lithium-batteries using correlative neutron and X-ray tomography with a virtual unrolling technique”; Nature Communications 11, Article number: 777 (2020); https://www.nature.com/articles/s41467-019-13943-3#auth-Ralf_F_-Ziesche-Aff1-Aff2
3. PHOENIX. Boron As A Neutron Imaging Contrast Agent; Consultado el 16 de Octubre de 2024. https://www.phoenixneutronimaging.com/insights-and-updates/boron-as-a-neutron-imaging-contrast-agent