Aleaciones de Fierro

A presión atmosférica, y dentro del rango de temperaturas entre 912ºC y 1382ºC, el fierro se presenta como un arreglo de átomos formando una estructura densa tipo FCC, es decir, una red cúbica centrada en las caras. En el Fe, a diferencia de otros metales, al disminuirse su temperatura bajo el rango antes indicado, se produce la formación de una estructura menos compacta, de modo que los átomos dejan de formar un arreglo tipo FCC para dar paso a la estructura tipo BCC, esto es, una red cúbica centrada en el cuerpo, que posee menor densidad que la FCC.

Este cambio en la estructura cristalina del fierro, de una fase FCC a una BCC, se produce por cualquiera de los dos mecanismos siguientes:

1.- Proceso Difusional: Si enfriamos lentamente la fase FCC de los átomos de fierro, dicha red adquiere una suficiente movilidad atómica, de manera que la red sufre una reconstrucción completa adquiriendo la forma de una ferrita tipo BCC, produciéndose una difusión descoordinada y confusa de átomos en la interface de transformación. Dentro de este mecanismo difusional podemos encontrar la ferrita “alotriomórfica” y la ferrita “idiomórfica”, aunque también por este mecanismo se forman la ferrita “maciza”, y la “perlita”, formada por una alternancia entre α-ferrita y cementita (FeC). Cabe destacar que las ecuaciones que gobiernan la nucleación y crecimiento de la Perlita, que es una mezcla eutectoide, son similares a las de la ferrita “alotriomórfica” pero dos órdenes de magnitud inferior.

2.- Proceso sin Difusión, o No Difusional: Si en cambio, la fase FCC que conforma el fierro, la enfriamos rápidamente a una muy baja temperatura, muy por debajo de 912ºC, no habrá suficiente tiempo ni movilidad atómica para que suceda la Transformación Difusional. Sin embargo, la fuerza motora se incrementa con el enfriamiento por debajo de los 912ºC, produciéndose la formación de martensita BCC debido a un mecanismo de “corte” o “displacivo” que involucra una transferencia sistemática y coordinada de átomos en la interface. Al igual que la Martensita, la ferrita “Widmanstatten” también se produce por este mecanismo no difusional, donde la fuerza motriz para la transformación es pequeña, de modo que la separación del carbon durante la transformación es una necesidad termodinámica. Durante el crecimiento de la ferrita Widmanstatten los átomos intersticiales, como el carbon, pueden difundir libremente sin afectar la forma o el carácter “displacivo” de dicha transformación.

La Austenita en un Acero

En la figura anterior, y semejando a un hexágono deformado, se puede apreciar la forma de un grano de austenita en un corte bidimensional plano. La Austenita (simbolizada por la letra γ) es la estructura principal de un acero, y se define como la solución sólida metálica y a la vez no magnética de carbón y hierro que existe en todo acero por encima de la temperatura crítica de alrededor de 723ºC. Su nombre proviene de Sir William Chandler Roberts Austen, fallecido en 1902. El grano de Austenita posee estructura cristalina tipo FCC lo cual permite a dicho grano almacenar o reservar una alta proporción de carbón en solución.

La Austenita puede contener bastante más carbon que la ferrita, entre 0.8% C a una temperatura de 723ºC, y 2.08% a 1148ºC, que es el máximo contenido de carbón soluble que puede contener un grano de austenita.

Cuando enfriamos la austenita, esta estructura se descompone en varias fases (que se verán a continuación), o bien sufre una leve distorsión en su estructura cristalina, distorsión que es conocida como “transformación martensítica”.

Ya sea que enfriemos lento o rápido una aleación específica, y dependiendo de si actúa un Mecanismo de Transformación Difusional o No Difusional, aparecerán un gran número de fases interesantes de estudiar, entre ellas, la formación de la Ferrita Widmanstatten típica de los aceros. Pero entonces surge la pregunta de cómo calcular matemáticamente o empiricamente la velocidad de nucleación y de crecimiento de cada una de las fases?. La respuesta se encuentran en la generalización o ampliación de las ecuaciones clásicas de Johnson-Mehl-Avrami, cuyas modificaciones fueron presentadas por vez primera por los investigadores S. J. Jones y H. Bhadeshia en 1996 y revisadas en el mes de septiembre de 1998.

Ecuaciones Clásicas de Johnson Mehl Avrami

Este modelo describe en forma simple las transofrmaciones cinéticas que tienen lugar para una sóla fase simple, cuando una partícula que precipita efectivamente se forma dentro de una aleación cuando ésta se enfría. En este modelo inicial supone partículas de volúmen esférico que se forman luego de un tiempo específico. La razón de crecimiento G y el nivel de nucleación I se consideran constantes a partir del instante en que la muestra alcanza la temperatura de transformación isotermal.

El problema de este modelo incial es que se suponía que sólo una fase tenía lugar dentro de un rango determinado de temperatura, de modo que reacciones individuales sucedían dentro de dichos rangos no afectándose las fases unas a otras. Sin embargo, en la práctica esto no ocurre.

Por ello se amplió un poco más el modelo para casos en los que dos o más fases provenientes de la fase inicial austenita sucedieran simultaneamente. Se continuó considerando volúmenes esféricos para las partículas que precipitan, se mantuvo una tasa de crecimiento G y de nuclación I constantes, independientes de la temperatura o de la presencia de las otras fases, y se agregó una dependencia K real (no compleja) entre los volúmenes de nucleación de las dos o más fases.

No obstante, desde un punto de vista práctico, el modelo no respondía a lo que experimentalmente se observaba en las fases que se presentaban. Por ello, hoy se ocupa un modelo generalizado de las ecuaciones clásicas de Johnson Mehl Avrami que analiza las Reacciones Simultáneas Complejas de dos o más fases que derivan de la austenita. De esta manera, las expresiones matemáticas que describirán la tasa de Crecimiento y de Nucleación serán distintas según la fase que tenga lugar, y dependerán de variables como la concentración de carbono, promedios de difusividad, así como de contantes clásicas tal como la Constante de Boltzmann, constante de Planck, Constante de Capilaridad definidas por los efectos capilares de Gibbs-Thompson, etc. Así las razones de crecimiento y nucleación serán funciones de la tempratura y del tiempo.

En el próximo artículo expondremos más detalladamente las ecuaciones que gobiernan la nucleación y el crecimiento para tres fases: la Ferrita Alotriomórfica, la Ferrita Widmanstatten y la Perlita. Por ser la Ferrita Alotriomórfica y la Perlita fases formadas por Mecanismo Difusional a partir de la Austenita, implica que la transformación cirstalina FCC a una menos densa BCC se efectuó por enfriamiento relativamente lento. Para el caso de la Ferrita Widmanstatten (f.W), por participar con intercambio ordenado de átomos, sin la existencia de suficiente movilidad para los átomos, la transformación cristalina densa FCC varía a BCC por enfriamiento rápido y brusco a bajas temperaturas.

¿Cómo definir el tamaño o diámetro de un grano de Austenita?

Para obtener un grano de austenita se debe someter la aleación a una alta temperatura y mantenerla en dicho valor por algunos minutos (temperatura de austenitización). Mientras más alta sea la temperatura mayor será el grano de austenita, y mientras menor sea dicha temperatura de austenitización el grano de austenita tendrá un diámetro pequeño, siendo su temperatura mínima el valor en torno a los 723ºC. Así por ejemplo, si deseamos tener un grano de austenita del orden de los 100 a 200 micras de diámetro, la temperatura de austenitización puede ser del orden de los 1300ºC por espacio de unos 15 minutos, para luego someter por varios días, la aleación, a un Proceso Isotermal con una temperatura muy inferior a la de austenitización.

La adición de otros metales, tales como manganeso y niquel, pueden estabilizar la estructura de la austenita, facilitando el tratamiento térmico de aceros de baja aleación. Para el caso extremo de la austenita del acero inoxidable, el contenido de aleaciones mucho mayores hacen estable la estructura de la austenita aún a temperatura ambiente. En el extremo opuesto, elementos como el silicio, el molibdeno y el cromo, tienden a desestabilizar la austenita.

Fases formadas en la Austenita

Una vez formada la austenita, o más bien dicho, el grano de austenita, y dependiendo de la presencia de mecanismos difusionales o no difusionales, se presentarán las siguientes fases antes ya mencionadas:

1.- Fases presentes en Proceso de Transformación Difusional: estas fases se presentan cuando el proceso de enfriamiento es lo suficientemente lento como para permitir mobilidad atómica, provocándose un constante intercambio de átomos en forma aleatoria y poco ordenada de un lado al otro de la interface respectiva. Las fases formadas por este mecanismo son las siguientes:

a).- Ferrita Alotriomórfica: El término “alotriomórfico” significa que esta fase es cristalina y ordenada en su estructura interna pero no en sus bordes exteriores. Esto implica que las superficies limitantes del cristal no son regulares y no demuestran la simetría presente en su estructura interna. De este modo, la ferrita que tiende a nuclearse en los bordes de grano de la austenita, tiende a crecer a lo largo de las paredes de la austenita a niveles mayores de lo que lo hace en la dirección normal. Aunque la ferrita alotriomórfica no necesariamente debe formarse justo en los bordes de la austenita, en la práctica lo hace, presumiblemente debido a que no existe otro sitio heterogéneo de nucleación bi-dimensional como la austenita. La definición para la ferrita alotriomórfica se aplica a escala óptica, en que sus caras se ven aleatorias y amorfas, y no a su estructura cristalina interna que es ordenada.

b).- Ferrita Idiomórfica: esta fase presenta ópticamente caras con forma cristalina. En los aceros, la ferrita idomórfica se considera que aproximadamente posee una morfología equiaxial, y se forma intragranularmente supuestamente en torno a inclusiones u otros sitios de nucleación heterogéneos. La ferrita idiomórfica refleja ante el microscopio óptico la simetría del bicristal austenita-ferrita (γ-α), aunque no refleje ni importe su estructura o morfología cristalina interna. Debido a que la ferrita idiomórfica, así como también la ferrita alotriomórfica, deben su formación a un mecanismo de transformación difusional, el crecimiento de ambas no se restringe exclusivamente al borde de grano de la austenita, sino que la extensión de la penetración dentro de un grano partidcular puede variar de acuerdo a cómo pueda cambiar la relación de orientación de la interface γ-α.

c).- Ferrita Maciza: tiene la particularidad de que esta fase hereda la composición de la austenita de orígen, llamada también austenita progenitora. La capacidad para cruzar el borde de grano de la austenita origen por parte de esta ferrita es particularmente pronunciada durante la transformación completa, de modo que el tamaño de grano de la ferrita puede ser mayor que el tamaño de grano inicial de la austenita. La ausencia de un cambio en la composición de la ferrita Maciza permite a la transformación continuar hasta que toda la austenita se consuma. Estos factores combinados resultan en una microestructura de un gran grano de ferrita de una sóla fase; grano que posee una morfología aproximadamente equiaxial debido a influencias entre granos vecinos. Sin embargo, las transformaciones que pueden comenzar con el crecimiento de ferrita idiomórfica o alotriomórfica y ferrita maciza no puden ser consideradas estrictamente como una morfología separada en el esquema de clasificación.

d).- Perlita: la formación de esta fase en los aceros involucra un crecimiento difusional de la fase α-ferrita y de la cementita desde la austenita γ. En secciones bidimensionales, esta mezcla eutectoide consiste de láminas alternadas de ferrita y cementita, las cuales juntas pasan a formar una colonia de perlita. En realidad, la cementita y la ferrita dentro de una colonia o area dada son cristales simples, donde la laminilla de cada fase está conectada en tres dimensiones. Con la sóla excepción de la ferrita que se encuentra en la Perlita, todas las otras morfologías de ferritas involucran formas de placa o listones.

2.- Fases presentes sin Proceso Difusional. Las fases que aquí se describen se producen por enfriamiento lo suficientemente rápido de manera que evitan la movilidad atómica entre las interfaces. Así, las fases aquí producidas están circunscritas fundamentalmente a un grano único de austenita, de modo que se evita el que átomos aleatoriamente se muevan entre un grano de austenita y otro vecino.

a).- Martensita: ocurre en forma de placas delgadas y lenticulares la cual se extiende en forma recta a lo largo del grano de austenita progenitora, aunque también se visualiza como paquetes de listones finos y aproximadamente paralelos cuyos tamaño es por lo general inferior al del grano de austenita γ. En ambos casos, los cristales progenitores y productos están relacionados por una correspondencia atómica y la formación de la martensita produce la forma de la región transformada, la cual macroscopicamente es un plano de tensión invariante. Este plano invariante es el plano donde reside la martensita. La nucleación de la martensita es generalmente atérmal aunque también puede ser isotermal, y puede ocurrir a muy bajas temperaturas de modo que su interface con la fase progenitora necesariamente tienen que estar ligadas. La martensita se forma a un alto enfriamiento donde es, por lo general, muy grande el cambio de energía libre química para la transformación, muy por encima de lo que es requerido para la transformación sin difusión, aún cuando se tome en consideración la energía almacenada por la martensita.

b).- Ferrita Widmanstatten: esta fase se forma a un bajo enfriamiento inferior a la temperatura Ae3 donde la fuerza motriz para la transformación es pequeña, de modo que es una necesidad termodinámica la fragmentación del carbón durante dicha transformación. A una escala óptica, la ferrita Widmanstatten tiene la forma entre placas y listones. La formación de la ferrita Widmanstatten va también acompañada por un cambio en la forma de la región transformada. Este cambio consiste en dos planos de tensión de deformación invariantes adyacentes y opuestos. Estos planos IPS de deformación poseen componentes de corte grandes e implican la existencia de una correspondencia atómica entre las fases original y producto en la medida que se relacionen los átomos en solución del hierro y sustitucionales. Los átomos intersticiales como el carbón puden difundir durante el crecimiento sin afectar la forma o el carácter displacivo de la transformación.

La Ferrita Widmanstatten (f. W)

Si consideramos la figura anterior podemos distinguir que existen dos tipos de ferrita Widmanstatten (f. W):

1.- La ferrita secundaria o denominada en inglés “Widmanstatten ferrite side-plate”: es la ferrita Widmanstatten que tiene lugar su nucleación a partir de los bordes de la ferrita alotriomórfica que ya se ha formado en el borde del grano de austenita. Este tipo de f.W. se produce generalmente en granos pequeños de austenita cuando el proceso de enfriamiento ha sido relativamente lento, debido a la presencia del mecanismo de transformación difusional ya descrito. En otras palabras, como la ferrita Widmanstatten compite con la alotriomórfica, si se forma la una la otra tiende a desaparecer. Al ser el grano de austenita pequeño y si el enfriamiento no es tan rápido y da paso a la movilidad atómica, es la ferrita alotriomórfica la que se forma en gran medida, quedando menos espacio para formar ferrita Widmanstatten (f.W).

2.- La ferrita primaria o en inglés “W.f. primary side-plate”. Esta ferrita se forma directamente en los bordes del grano de Austenita y crece en forma perpendicular a dichos bordes, hacia el interior de la austenita. Como la f.W. es un proceso no difusional, al disminuir bruscamente la temperatura, las placas de ferrita Widmanstatten se formarán rapidamente impidiendo la formación de ferrita alotriomórfica.

En la literatura técnica sobre aleaciones se dice que la ferrita Widmanstatten puede en algunas ocasiones ser perjudicial para las propiedades mecánicas de los aceros, debido a que las placas de ferrita crecen en formaciones paralelas, permitiendo a las grietas y microfisuras propagarse sin mucha desviación. El problema es particularmente agudo en depósitos de acero soldado donde es impráctico modificar la microestructura, que está involucrada durante la solidificación y durante el subsecuente enfriamiento a temperatura ambiente, utilizando algún tipo de procesamiento termomecánico para refinar la microestructura en aceros trabajados. De ahí se desprende que el diseño de una aleación es la principal ruta disponible para minimizar la cantidad de ferrita Widmanstatten, lo que a su vez requiere un buen conocimiento de los factores que controlan su nucleación y crecimiento.

En 1991 la Universidad de Cambridge, especificamente el Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia, publicó que utilizando el modelo antes descrito para nucleación y crecimiento de la f.W. puede predecirse la temperatura de inicio de la ferrita Widmanstatten, Ws, en función de la química de la aleación. Dice en su artículo que la razón de crecimiento de una placa individual puede ser predicha con un buen grado de exactitud, como una función de la química de la aleación y temperatura de transformación, asumiendo que el crecimiento sucede bajo condiciones de paraequilibrio a un nivel controlado por la difusión del carbon en la austenita en frente del borde de la placa de ferrita Widmanstatten.

A diferencia del crecimiento de la f.W. que se comprende medianamente, la nucleación de la ferrita Widmanstatten no está bien entendida en detalle. La temperatura Widmanstatten de inicio Ws puede identificarse como la temperatura de transformación isotermal más alta a la cual se encuentra que se forma la f.W. en cantidades detectables. Una característica interesante de la temperatura Ws es que ella es más sensible a la química de la aleación que la temperatura Ae3, la cual es la temperatura más alta a la cual tanto la ferrita como la austenita pueden coexistir en equilibrio. Se ha encontrado frecuentemente que al adicionar solutos adecuados la temperatura Ws decrece más rapidamente que la temperatura Ae3, indicando que el efecto de los elementos de la aleación en la ferrita Widmanstatten es más que sólo un efecto termodinámico. En marzo de 1990, H. Bhadeshia de la Universidad de Cambridge publicó un artículo donde expuso que se ha demostrado que el comportamiento antes descrito puede ser relacionado “si se asume que la nucelación de la ferrita Widmanstatten es similar a la de la Martensita”.

En el artículo publicado por Jones y Bhadeshia en septiembre de 1996, luego de probar 15 distintos aceros con granos de austenita que variaban entre 30, 55 y 100 micras, se conluye lo siguiente:

“Ha habido numeros estudios sobre la aparición de la ferrita Widmantatten en aceros en función de la composición química, el tamaño del grano de austenita y de la razón de enfriamiento durante transformación de enfriado contínuo. Por tanto, se ha establecido bien que la ferrita Widmanstatten se ve favorecida en una austenita con una estructura de grano grande. Esto probablemente sucede debido a que la f.W. rara vez se encuentra aislada aunque a veces se forma como placas secundarias creciendo de los bordes de la ferrita alotriomórfica. La previa formación de ferrita alotriomórfica, la cual es favorecida por un tamaño de grano pequeño, enriquece la austenita residual no transformada con carbon y reduce la fracción de volúmen de la austenita residual, la cual posteriormente se puede transformar en ferrita Widmanstatten, de modo que no sorprende que un pequeño grano de austenita suprima la aparición de ferrita Widmanstatten. Por las mismas razones, un incremento en la razón de enfriamiento tendrá a favorecer la formación de ferrita Widmanstatten.”

Alcances finales respecto de Veas-01

De acuerdo a los aspectos teóricos y experimentales expuestos aquí referentes a la formación tanto del grano de austenita como de sus fases posteriores, se desprende que un acero con tamaño de grano de austenita superior a 200 micras es inusual, de igual manera que aparecería como algo inusual la existencia de ferrita Widmanstatten con largos de placas de varios cientos de micras y de 20 ó 50 micras de ancho. En cada uno de los aceros experimentales que el investigador Bhadeshia muestra, y cuyas gráficas se incluyen arriba, se observa siempre la presencia de ferrita alotriomórfica, aunque sea en menor cuantía. La ausencia de esta fase no parece posible, no al menos para los tamaños de grano de austenita ni las razones de enfriamiento dados.

Sin embargo, de algunas de las microfotos tomadas de Veas-01, que han sido entregadas en este blog en artículos anteriores, se desprende la aparición de perlita, en algunos casos, y en otros la entrada en escena de granos de austenita descomunalmente grandes con diámetros que en casos superan los 1500 micras, donde desde sus bordes directamente surgen las largas y anchas placas de ferrita Widmanstatten. Si consideramos los modelos teóricos aquí presentados debemos suponer que la temperatura de austenitización debió ser extremadamente alta y por un tiempo superior a los 15 minutos indicados en el modelo de los aceros experimentales, para luego en menos de un segundo, disminuir la temperatura hasta un valor adecuado para la transformación isotermal. Esta brusca disminución de la temperatura en alrededor de un segundo desde la temperatura de austenitización, provocó una total ausencia de ferrita alotriomórfica (debido a que no hubo mecanismo difusional) lo que sumado al gran grano de austenita favoreció la formación de gruesas e inusuales placas de ferrita Widmanstatten. Recordemos que en estas zonas el porcentaje de carbono es de alrededor de 0.023%, valor muy inferior al de 0.18% de C contenido en los aceros experimentales usados en los artículos del profesor Bhadeshia.

Surgen entonces algunas preguntas como:

1.- ¿quién querría fabricar hace décadas atrás, en Chile, un acero de tan bajo carbono, de tan alta pureza en fierro, y con un grano descomunal de austenita?

2.- ¿por qué se habría deseado fabricar un acero con enormes placas de ferrita Widmanstatten, siendo que en los aceros precisamente se busca minimizar la presencia de esta fase debido a que las microfisuras o grietas formadas se propagan a lo largo de las placas paralelas de ferrita Widmanstatten?

3.- ¿cuál fue la técnica usada décadas atrás para lograr este tamaño de grano de austenita?. ¿cuál fue la temperatura de austenitización y por cuánto tiempo se mantuvo dicha alta temperatura para formar este grano?

4.- ¿qué técnica se implementó para lograr las presiones necesarias para formar inclusiones como la Troilita en el interior de este acero?

En el próximo artículo abordaremos algunas de las expresiones matemáticas que dan cuenta de la formación, nucleación y crecimiento, de las tres fases siguientes: ferrita alotriomórfica, ferrita Widmanstatten y Perlita, así como discutiremos con más detalle la formación de las inclusiones dentro de una aleación específica.

Prompt Gamma y Veas-01

Puesta a punto de Prompt Gamma en Actividades Militares

En el anterior artículo publicamos una breve descripción de las cualidades de la Instalación PGNAA, y de la validación científica y experimental desarrollada por cuatro científicos del Departamento de Investigación y Desarrollo de la Comisión de Energía Nuclear. Luego, en el mismo artículo, se comentó que esta instalación Prompt Gamma quedó en tan buenas condiciones que ya en 2003 se utilizaba para desarrollar un proyecto entre el Ejército de Chile, la Comisión Nacional de Desminado, y el Ministerio de Defensa; proyecto el cual consistía en la detección de las Minas Antipersonales situadas en las fronteras chilenas con nuestros países vecinos. Este proyecto se postuló en tres etapas: primero, la detección del “peak” de nitrógeno perteneciente a las Minas Antipersonales usando las dos instalaciones nucleares del Reactor de La Reina. Este primer objetivo se logró exitosamente. La segunda etapa consistía en acortar el tiempo en lograr dicha detección, en tanto la etapa tercera comprendía la puesta en marcha de un equipo portátil con su propio generador de neutrones, de modo de efectuar las mediciones in-situ sobre un campo minado. Recordemos que este proyecto de aplicación de detección de Minas Antipersonales usando técnicas nucleares en todo momento fue autorizado y aprobado por la entonces Ministra de Defensa de nuestro país, doña Michelle Bachelet Jeria, hoy actual Presidente de Chile.

La Muestra ESO-3 extraída de Veas-01.

Con estos resultados en mano, y aprovechando el que una amiga nuestra, doña Marjorie Ovalle Valdés, había recientemente efectuado su tesis de Ingeniería Fisica precisamente en las aplicaciones de Prompt Gamma, decidimos explorar esta técnica ya validada por el Ministerio de Defensa de Chile, y someter a varias muestras extraídas de Veas-01 a PGNAA. Para ello, en junio de 2004, nuestro equipo envió formalmente una carta a la entonces recién asumida Directora Ejecutiva, señora Loreto Villanueva Zamora, solicitando que se nos autorice a utilizar el equipo Prompt Gamma del Reactor de La Reina para irradiar unas pocas muestras metálicas y así efectuar un análisis cualitativo y cuantitativo sobre cada una de ellas.

Fue así que la doña Loreto Villanueva autoriza a nuestro equipo para ingresar a las instalaciones señaladas más siempre bajo la supervisión del físico don Carlos Henriquez. En un comienzo, y debido a que se estudiaba la factibilidad de un posible Convenio de Cooperación entre nuestra empresa y la Comisión de Energía Nuclear, se pensó en efectuar sin costo estos análisis. Mas, debido a que los directivos de la Comisión nos comentaron que la Contraloría General de la República los auditaba en forma rutinaria, incluyendo los cursos de Seguridad de Primera Categoría, y debido a que el Prompt Gamma ya había demostrado sus fortalezas en los análisis cualitativos, la Directora Ejecutiva nos explicó que se nos emitirían una factura en pesos chilenos por un monto de unos US$ 190 dólares americanos; factura que luego nos fue remitida sin problemas.

De hecho, en una carta fechada el 9 de abril de 2004, doña Loreto Villanueva nos explica el problema de dar servicios gratuitos para empresas ajenas a la Comisión. Textualmente nos escribe: “La Contraloría General de la República realiza de manera rutinaria auditoría a los ingresos por la comercialización de servicios y productos de la CCHEN, siendo los cursos parte de éstos”.

En esa misma carta doña Loreto nos impone de la situación que aún no tienen los estándares para cuantificar las muestras, pero que PGNAA está en condiciones de mostrar sus fortalezas, las cuales nos las demostraría don Carlos Henriquez. Así agrega en su misiva: “Respecto de la realización del análisis utilizando la técnica de Prompt Gamma, ofrezco a Ud. que envíe una muestra en las condiciones requeridas por la técnica, de manera que nuestro Físico del Reactor, Sr. Carlos Henriquez, pueda realizar el análisis cualitativo y así demostrar las fortalezas de este tipo de análisis”.

Fue así que, a fines de febrero de 2005, con la previa autorización de los responsables del Reactor, y en compañía de doña Marjorie Ovalle Valdes y del físico don Carlos Henriquez, entramos al ambiente del Reactor Nuclear donde se encuentran dos instalaciones nucleares: el Equipo Prompt Gamma (PGNAA) y el equipo para obtener Placas usando Neutrografía.

En la experiencia usando PGNAA ocupamos tres muestras extraídas a diversas profundidades de la Gran Roca Veas-01, y tipificadas como ESO-1, ESO-2 y ESO-3. De todas, la mas profunda, extraída a unos 5 ó 6 cms de la Roca, fue la muestra ESO-3, la cual mostró las curiosas gráficas que a continuación señalamos; muestra que fue irradiada por espacio de 30 minutos. En cambio, las otras dos primeras muestras, irradiadas por el mismo lapso de tiempo, mostraron comportamiento normal, y fueron extraídas desde dos puntos de la superficie inmediata de Veas-01.

RESULTADOS

Como puede nuestro amable lector leer en el artículo anterior, cuando una muestra es irradiada frente a un haz de neutrones lentos, aparece un despliegue de energías que van entre 50 KeV y los 11.000 KeV, esto es, 11 MeV. Dicho despliegue energético se produce en forma contínua durante todo el rango de energías mencionado, tal como puede extraerse de las curvas incorporadas en el anterior artículo, incluyendo los “peaks” llamados de Aniquilación. La intensidad de esos mencionados “peaks” de energía no sobrepasan nunca las dieciocho mil (18.000) cuentas.

La siguiente imagen informa que, para la muestra metálica señalada por su sigla ESO-3, y luego de ser sometida a la acción de los neutrones lentos emanados del Reactor de La Reina, aparecen dos "gigantescos peaks”, de intensidad lejos superior a cualquier cosa antes vista, en torno a dos rangos de energías bien delimitados. El primer rango está entre los 150 a 170 KeV, con una intensidad que ampliamente supera los DOS MIL MILLONES DE CUENTAS (2.0 E(+9) cuentas). El segundo rango se encuentra comprendido entre los 530 a 545 KeV, con una intensidad máxima en torno a las MIL SETECIENTAS MILLONES DE CUENTAS.

Este comportamiento anómalo para cualquier muestra metálica conocida, se suma al hecho de la inexistencia de algún tipo de “peak” de energia entre los 150 KeV y los 720 KeV. En otras palabras, y salvo los dos picos de energía de alta intensidad (medida en número de cuentas), existe una total absorción de las energías hasta los 720 kilo electron-volts. En la siguiente imágen se puede apreciar que, si reducimos la escala para visualizar el gráfico a menores intensidades, la “Ventana de Energía” es evidente hasta los antes mencionados 720 KeV. A partir de dicha energía umbral, aparecen nuevamente los espectros normales de energía.

La figura que agregamos seguidamente muestra la forma del espectro de energías entre los 150 KeV y los 2.000 KeV.

Como los científicos del Depto. de Investigación y Desarrollo de CCHEN, señores Claudio Pereda y Carlos Henriquez, no pudieron interpretar estos gráficos satisfactoriamente, y evidentemente habiendo descartado un mal funcionamiento del detector (debido a que funcionó perfectamente para el proyecto de Minas Antipersonales, pero también además para las otras dos muestras de Veas-01 así como para la detección de otros metales y sales probados por nosotros con posterioridad a la Muestra ESO-3), nuestro equipo mandó algunas de las siguientes gráficas a la Dirección de la Comisión, para que nos fueran ellas interpretadas oficialmente. Estos dos gráficos que se agregan, recepcionados el 24 de agosto de 2005, presentan el timbre de recepción de la Comisión Chilena de Energía Nuclear en sus oficinas principales en calle Amunátegui 95, Casilla 188-D, Santiago de Chile.

Junto con estas gráficas, ese mismo 24 de agosto, y anexando la Fotocopia de la Factura que CCHEN nos envió, remitimos a la Dirección Ejecutiva una carta en donde verificábamos experimentalmente que, los datos originales con extensión .CNF adquiridos con Software Geni 2000, sufrían un pequeño corrimiento de sus energías cuando los mismos datos eran llevados a Excel. Esto implicaba, que los elementos que se buscaban con los gráficos en Excel aparecían diferentes a los visualizados por Geni 2000.

CCHEN y su equipo Prompt-Gamma

El objetivo del presente artículo tiene dos puntos a destacar:

1.- Mostrar brevemente el mecanismo por el cual es posible efectuar, mediante la técnica PGNAA o Prompt Gamma implementada en la CCHEN en el Reactor Nuclear de La Reina, un análisis qualitativo de una muestra, ya sea metálica, pétrea o líquida, determinando con buena aproximación no sólo la aparición de los elementos presentes en una muestra, sino que además, detectando la presencia de todos los isótopos de los elementos naturales como el Niquel, Titanio, Fierro, entre otros. PGNAA son las siglas de Prompt Gamma Neutron Activation Analysis.

2.- Indicar cómo el perfeccionamiento de esta técnica, al detectar los “peaks” del Nitrógeno de más altas energías, usando el excelente detector de GeHp adquirido por la CCHEN, permitió a los oficiales del Ejército de Chile con grado de Teniente Coronel, señores Luis Quinteros y Christian Sherrington, durante el 2003, participar en un proyecto cuyo objetivo fue la detección de Minas Antipersonales, usando precisamente la instalación PGNAA.

I.- LA TECNICA PROMPT-GAMMA

Desde hace muchos años, la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) había adquirido el equipamiento para implementar la Técnica Nuclear PGNAA, más conocida como Prompt Gamma (Gamma Rápido o Instantaneo). Sin embargo, no fue sino hasta el 2001 cuando los doctores Gustavo Navarro y Juan Klein decidieron tomarse en serio el reto de implementar Prompt Gamma para múltiples aplicaciones. Es así como durante el 2002, y luego de efectuar varias pruebas y experimentaciones con diversas muestras, los investigadores antes nombrados, y en conjunto con los magister señores Carlos Henriquez y Claudio Pereda, publicaron el trabajo titulado “Nuevas Aplicaciones de Análisis por Activación de Radiación Gamma Instantánea (PGNAA)”. Este trabajo puede ser encontrado y descargado su versión PDF desde los dos siguientes sitio web de Ciencia Abierta:

http://cabierta.uchile.cl/revista/20/articulos/pdf/edu7.pdf

http://cabierta.uchile.cl/revista/12/articulos/12_11/index.html

Este trabajo, tal como lo expresan los autores, “muestra el desarrollo de una serie de medidas experimentales realizadas con la finalidad de obtener patrones de referencia, encaminados a conseguir cuantificaciones de muestras sólidas en mediciones futuras”. Además se destaca que “esta técnica permite observar la composición isotópica de elementos naturales”.

En la imágen siguiente, y siempre basándonos en el artículo antes descrito, se muestra esquematicamente cómo opera esta técnica, al usar los neutrones que provienen del Reactor Nuclear de La Reina; neutrones térmicos colimados que golpean la muestra produciéndose la formación radiación gamma de captura neutrónica, con energías detectables con este equipo chileno en el rango de 50 KeV hasta 11 MeV (11.000 KeV).

La siguiente figura suscintamente muestra el esquema que se tiene en el Centro Nuclear de La Reina para la aplicación de la Técnica Prompt Gamma en la determinación cuantitativa de muestras, además de la determinación de los isótopos de los elementos naturales. El detector GeHp corresponde a un excelente detector de Germanio Hiperpuro capaz de detectar los “peaks” de energia correspondientes al elemento nitrógeno.

La tabla siguiente muestra los Isótopos de Niquel observados usando Prompt Gamma en el Reactor Nuclear de La Reina.

Para los isótopos del Titanio y de Niquel así como sus correspondientes energías obtenidas en dicha instalación, se ha agregado las siguientes gráficas:

Junto con indicar en este trabajo las relaciones matemáticas para cuantificar usando estándares, dichos investigadores proponen algunas de las siguientes aplicaciones: Mediciones Estequeométricas, Mediciones Isotópicas, Agricultura, Arqueología, Monitoreo y Control de Procesos Industriales, y Diagnóstico Médico.

II.- DETECCION DE MINAS ANTIPERSONALES

El 10 de septiembre de 2001, nuestro país Chile procedió a depositar el instrumento de ratificación de la Convención de Ottawa sobre la Prohibición del Empleo, Almacenamiento, Producción y Transferencia de Minas Terrestres Antipersonal y su Destrucción, ante la Secretaría General de Naciones Unidas. Dicha Ratificación suscrita en Ottawa entró en vigencia por publicación en el Diario Oficial en marzo de 2002. Unos meses antes, en enero de 2002, se nombraba como Ministra de Defensa a la actual Presidenta de Chile, doña Michelle Bachelet Jeria, Médico de profesión.

Para dar cumplimiento a la Convención aprobada por el Congreso Nacional el 08 de mayo de 2001, mediante Decreto Supremo Nº 79 de la Subsecretaría de Guerra, el 02 de mayo de 2002 se crea la Comisión Nacional de Desminado (CNAD). El 19 de agosto de 2002 se constituye por vez primera la Comisión Nacional de Desminado, la cual también fue presidida por doña Michelle Bachelet Jeria.

Nuestra actual Presidenta, a la cabeza de Ministerio de Defensa y de la CNAD, decide junto a sus asesores examinar la factibilidad de utilizar la Técnica de Prompt Gamma y otras instalaciones nucleares para la detección de las Minas Antipersonales, evitando así el riesgo de utilizar personal militar en las labores de detección de las mismas.

Como bien sabemos, la gran mayoría de las Minas Antipersonales son plásticas, de modo que la detección tradicional es bastante difícil. No obstante, como el material de los envoltorios de una mina, los detonadores y el explosivo tienen como constituyente al nitrógeno, entonces existe la posibilidad de detectar los “peaks” más intensos de los gamma propios del Nitrógeno para saber dónde se encuentra una mina antipersonal. Teniendo el patrón de comportamiento del nitrógeno presente en todos los tipos de suelo del país, por tanto será posible diferenciar el contenido de nitrógeno presente en una Mina Antipersonal del presente en bajas concentraciones en el suelo o territorio.

De acuerdo con el NIST y a las tabulaciones establecidas y certificadas por la International Atomic Energy Agency (IAEA), sobre las energías gamma de captura neutrónica, el nitrógeno 14 posee sus gamma en torno a los 10833 KeV, es decir, en torno a los 11 MeV. En el trabajo ya descrito anteriormente, y expuesto en Ciencia Abierta por los investigadores Juan Klein, Gustavo Navarro, Claudio Pereda y Carlos Henriquez, se menciona que “el rango de energías de la radiación gamma de captura neutrónica va desde 50 KeV hasta 11 MeV”; esto es, justo la detección del Nitrógeno (N-14). En otras palabras, la instalación de Prompt Gamma ubicadas en el Reactor Nuclear de La Reina es perfecta para detectar Minas Antipersonales.

Con esta información técnica en mente, y gracias a las pruebas que la Comisión Chilena de Energía Nuclear (CCHEN) realizó con éxito, la profesional médico y Ministra de Defensa doña Michelle Bachelet, durante el año 2003, crea un Convenio entre el Ministerio de Defensa y la CCHEN, para que el Ejército de Chile ponga en marcha el proyecto de lograr un Equipo Portátil para efectuar la detección exacta de cada una de las minas antipersonales en cualquier tipo de terreno.

Continuando con el procedimiento, se encargó a los oficiales del Ejército de Chile con el Grado de Teniente Coronel, señores Luis Quinteros y Christian Sherrington, evaluar la capacidad de la instalación PGNAA de la Comisión de Energía Nuclear. Los estudios preliminares efectuados por los oficiales mostraron poder detectar perfectamente el Nitrógeno de las Minas, pero que tomaba tiempo la detección para visualizar dicho “peak”. De acuerdo al Boletín Año II, número I, publicado en enero de 2004 por la Comisión Chilena se informa: “Los resultados de esta primera fase del trabajo fueron satisfactorios, y se espera que, durante la segunda parte del proyecto, se reduzca el tiempo de demora en determinar la localización de la mina. La tercera parte contempla el diseño y prototipo de una fuente de neutrones portátil, capaz de detectar las minas en los diferentes terrenos en que se encuentran.”

Este artículo, el cual reproducimos completo en la siguiente imágen, puede ser visto en la siguiente página web de la institución (visitando la memoria Caché):

http://www.cchen.cl/Boletin/12.php

Al loable esfuerzo de ambos militares chilenos, se sumaron la experiencia e investigación de los científicos de la CCHEN, señores Carlos Henriquez, Claudio Pereda y Lipo Birstein, todos del Departamento de Investigación y Desarrollo de la Comisión.

CONCLUSION

Dado lo interesante de la técnica y de las proyecciones que PGNAA posee en múltiples áreas, es por ello importante conocer, y con mayor detalle, los resultados de esta impresionante investigación. Con esto, se mostrarán no sólo las potencialidades que nuestra Comisión posee, sino además de la inventiva y creatividad de nuestros científicos y militares chilenos por lograr equipos como el que ellos se han propuesto, esto es, la creación de un equipo portátil, equipado con su propia fuente de neutrones, capaz de detectar minas antipersonales.

Hasta el momento desconocemos si se ha alcanzado con éxito los objetivos planteados en este artículo, aunque publicamente difundidos por la Comisión. En un próximo artículo mostraremos los resultados experimentales usando PGNAA, que con la ayuda de don Carlos Henriquez hicimos algunas pruebas sobre algunas muestras extraidas de la Gran Roca Veas-01, y compartiremos con nuestros lectores las gráficas de las energías gamma obtenidas; curvas que hasta ahora la Comisión no nos ha podido interpretar.