A maioria dos PWRs usa combustível de urânio, que está na forma de dióxido de urânio. O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem ponto de fusão muito alto e comportamento bem conhecido. O UO2 é prensado em pellets, esses pellets são então sinterizados no cilindro sólido (com altura e diâmetro de cerca de 1 centímetro, sendo a altura maior que o diâmetro). As dimensões dos pellets de combustível e outros componentes do conjunto de combustível são controladas com precisão para garantir consistência nas características do combustível. Essas pelotas são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (um tubo de revestimento metálico), que é feito de ligas de zircônio devido à sua baixíssima seção transversal de absorção (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível. As varetas de combustível são o elemento básico de um conjunto de combustível. As varetas combustíveis têm a finalidade de conter os produtos de fissão, garantindo o suporte mecânico das pastilhas e permitindo a remoção de calor para o fluido refrigerante do calor gerado pelas reações nucleares. Barra de combustível típica, tem um comprimento de cerca de 4 m, com um diâmetro de cerca de 1 cm. Um núcleo nuclear de 1100 MWe (3300 MWth) pode conter 157 conjuntos de combustível compostos por mais de 45000 varetas de combustível e cerca de 15 milhões de pastilhas de combustível.
Pellets de Combustível Avançado
De acordo com o relatório da NEA, os projetos de combustível cobertos pela Força-Tarefa em Projetos Avançados de Combustível consistem em três conceitos diferentes:
- Combustível UO2 melhorado. Em relação ao combustível UO2 aprimorado, esse projeto específico foi dividido em dois subconceitos, como UO2 dopado com óxido e UO2 de alta condutividade térmica (projetado pela adição de dopante metálico ou cerâmico).
- Combustível de alta densidade.
- Combustível encapsulado (pellets compostos TRISO-SiC).
Referência Especial: Agência de Energia Nuclear, Relatório de Estado da Arte sobre Combustível Tolerante a Acidentes em Reator de Água Leve. NEA No.7317, OCDE, 2018.
Combustível de alta densidade
A maioria dos materiais metálicos sugeridos para uso como revestimento para reduzir a oxidação do vapor apresentam penalidades de reatividade bastante grandes em comparação com os revestimentos tradicionais à base de Zr. Essas penalidades podem ser compensadas por um aumento do enriquecimento de 235U e/ou uma diminuição na duração do ciclo. Para compensar isso sem as concessões anteriores, a densidade físsil no pellet deve ser aumentada. A densidade físsil pode ser aumentada de várias maneiras. Uma maneira possível é aumentar a densidade do material, e outra é aumentar a proporção de metal para não metal nos combustíveis compostos de metal.
Existem vários projetos propostos de combustível de alta densidade, mas deve-se notar que todos os combustíveis de alta densidade estão longe de estarem prontos para serem usados como combustíveis em reatores comerciais de água leve. Os conceitos incluem:
- Combustíveis Nitretos
- Combustíveis Silicidas
- Combustíveis de Carboneto
- Combustíveis Metálicos
Combustível de Silicida de Urânio
O siliceto de urânio é um composto inorgânico de urânio. É um dos projetos possíveis de materiais de pellets de combustível tolerantes a acidentes propostos. As vantagens são maior porcentagem de urânio e maior condutividade térmica. Com uma densidade de siliceto de urânio de 12,2 g/cm3 (vs.), o siliceto de urânio (U3Si2) oferece um aumento na economia de combustível. O dióxido de urânio tem uma densidade de 10,97 g/cm3. Além disso, há um excedente de sua composição estequiométrica. No final, há uma densidade de urânio cerca de 17% maior que a do dióxido de urânio. Uma substituição direta de UO2 por U3Si2 deve permitir que um reator gere mais energia a partir de um conjunto de barras de combustível e também forneça mais “tempo de enfrentamento” no caso de acidentes graves. Sua condutividade térmica (~8,5 W/mK a 300 K) é significativamente maior que a do dióxido de urânio em temperaturas operacionais e aumenta em função da temperatura (a condutividade térmica do dióxido de urânio diminui em função da temperatura). Essa condutividade térmica compensa seu ponto de fusão mais baixo, de modo que as margens operacionais e de segurança do combustível são aprimoradas.
A Westinghouse, o Laboratório Nacional de Idaho (INL) e o Laboratório Nacional de Los Alamos começaram a desenvolver e fabricar siliceto de urânio e seus combustíveis compostos por meio do programa de Combustível Tolerante a Acidentes do DOE. O desempenho térmico aprimorado do U3Si2 em comparação com o combustível UO2 permite a implementação de um revestimento mais avançado, como um composto de SiC-SiC, que, além dos benefícios operacionais e de segurança esperados, também oferece economia de nêutrons superior e maior economia de custos do ciclo de combustível em relação aos revestimentos à base de Zr.
Combustível encapsulado – grânulos compostos TRISO-SiC
TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micro partícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício. Historicamente, as partículas TRISO têm sido utilizadas em elementos combustíveis constituídos por seixos esféricos ou blocos prismáticos hexagonais com grafite usado como matriz e revestimento para o elemento combustível. Cada partícula atua como seu próprio sistema de contenção graças às suas camadas de revestimento triplo. Isso permite que eles retenham produtos de fissão em todas as condições do reator. As partículas TRISO podem suportar temperaturas extremas que estão muito além do limiar dos atuais combustíveis nucleares. Pelotas compostas TRISO-SiC consistem em partículas de combustível TRISO embutidas em uma matriz de SiC. O uso de SiC como matriz em vez de grafite melhora a tolerância à radiação da matriz de combustível, além de aumentar a retenção de FP. O combustível composto TRISO-SiC é geralmente chamado de combustível microencapsulado totalmente cerâmico (FCM).
De acordo com o relatório da NEA, o combustível TRISO-SiC é concebido como um conceito promissor de médio prazo para substituir os atuais pellets de combustível UO2. Possui características de segurança potencialmente superiores em relação a outras formas de combustível como resultado de suas múltiplas barreiras à dispersão de FP, alta estabilidade mecânica e boa condutividade térmica. Uma baixa densidade de carregamento de material físsil é a principal questão para este conceito. A fim de aumentar a carga físsil, a combinação de enriquecimento de urânio até o limite superior prático de LEU (~ 19,7% de 235-U), aumentando a fração de volume de núcleo para partícula e fração de embalagem TRISO e aumentando o diâmetro do pino de combustível foi proposto.
O carboneto de silício é um composto cristalino de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente. Sua fórmula química é SiC. O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, aproximando-se da do diamante. Sua alta condutividade térmica, juntamente com sua resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica e resistência a reações químicas, torna o carboneto de silício valioso na fabricação de aplicações de alta temperatura e outros refratários. Na indústria nuclear, o material compósito de carboneto de silício tem sido investigado para uso como substituto do revestimento de liga de zircônio em reatores de água leve. As cerâmicas à base de carboneto de silício (SiC) e seus compósitos têm propriedades superiores de alta temperatura (HT), excelente resistência à irradiação, baixa ativação inerente e outras propriedades físicas/químicas superiores.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Esperamos que este artigo, Combustível de silicídio de urânio, ajude você. Se sim, dê um like na barra lateral. O objetivo principal deste site é ajudar o público a aprender algumas informações interessantes e importantes sobre materiais e suas propriedades.
