O que é Dano de Radiação aos Materiais do Reator – Definição

Os reatores nucleares são fontes significativas de radiação, especialmente radiação de nêutrons. Na operação de energia, a reação de fissão é responsável pela energia gerada em um reator nuclear, e a taxa de reação de fissão é proporcional ao fluxo de nêutrons. Quando um reator é desligado, a fissão essencialmente cessa, mas a energia de decaimento ainda está sendo produzida. A energia produzida após o desligamento é chamada de calor de decaimento. Os reatores nucleares são, portanto, fontes de vários tipos de radiação, sendo os nêutrons os mais importantes. Cada tipo de radiação interage de uma maneira diferente, portanto devemos descrever a interação de partículas (radiação como um fluxo dessas partículas) separadamente. Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar átomos diretamente. Por outro lado, partículas eletricamente neutras interagem apenas indiretamente, mas também podem transferir algumas ou todas as suas energias para a matéria.

Esta é a característica chave da categorização das fontes de radiação. Eles geralmente são categorizados em dois tipos gerais, como segue:

• Partículas carregadas (diretamente ionizantes)
  • Partículas beta. Partículas beta são elétrons rápidos ou pósitrons emitidos no decaimento beta nuclear, bem como elétrons energéticos produzidos por qualquer outro processo. A radiação beta ioniza a matéria mais fraca que a radiação alfa. Por outro lado, os intervalos de partículas beta são mais longos e dependem fortemente da energia cinética inicial da partícula.
  • Partículas carregadas pesadas. Partículas carregadas pesadas são todos íons energéticos com massa de uma unidade de massa atômica ou maior, como prótons, partículas alfa (núcleos de hélio) ou fragmentos de fissão. O poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas alfa e para partículas carregadas pesadas. Portanto, as partículas alfa têm alcances muito curtos. Por outro lado, elas produzem ionização massiva da matéria circundante.
• Partículas neutras (indiretamente ionizantes)
  • Radiação gama (radiação eletromagnética). Os raios gama ionizam a matéria principalmente por meio de ionização indireta. Os raios gama são muito penetrantes, por outro lado, sua ionização não é tão intensa quanto para partículas carregadas. Embora um grande número de interações possíveis seja conhecido, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.
    • Efeito fotoelétrico
    • Efeito Compton
    • produção de pares
  • Neutrões. Os nêutrons podem ser emitidos por fissão nuclear ou pelo decaimento de alguns átomos radioativos. Os nêutrons não têm carga elétrica líquida, portanto não podem ser afetados ou interrompidos por forças elétricas. Os nêutrons ionizam a matéria apenas indiretamente, o que torna os nêutrons um tipo de radiação altamente penetrante. Os nêutrons se espalham com núcleos pesados ​​muito elasticamente. Núcleos pesados ​​muito duros desaceleram um nêutron e muito menos absorvem um nêutron rápido. Uma absorção de nêutrons (diríamos blindagem) causa o início de certa reação nuclear (captura, rearranjo ou mesmo fissão), que é acompanhada por vários outros tipos de radiação. Resumindo, apenas os nêutrons tornam a matéria radioativa, portanto com os nêutrons temos que blindar também os outros tipos de radiação.

Defeitos cristalográficos induzidos por radiação

Os materiais em serviço nuclear estão sujeitos a vários tipos de radiação. Alguns deles podem causar danos significativos à estrutura cristalina dos materiais. A radiação nuclear concentra grandes quantidades de energia em áreas altamente localizadas. O dano é causado pela interação dessa energia com os núcleos e/ou elétrons em órbita.

Como foi escrito, partículas carregadas com altas energias podem ionizar átomos diretamente ou podem causar excitação de elétrons circundantes. A ionização e a excitação dissipam grande parte da energia das partículas carregadas mais pesadas e causam poucos danos. Isso ocorre porque os elétrons são relativamente livres para se mover e logo são substituídos. O efeito líquido da radiação beta e gama no metal é gerar uma pequena quantidade de calor. Partículas mais pesadas, como prótons, partículas alfa, nêutrons rápidos e fragmentos de fissão, geralmente transferem energia suficiente por meio de colisões elásticas ou inelásticas para remover os núcleos de suas posições de rede (cristalina). Essa adição de vacâncias e átomos intersticiais causa mudanças nas propriedades dos metais.

Em geral, os efeitos de maior interesse podem ser descritos pelos seguintes agrupamentos:

• Vagas ou Knock-ons. Defeitos de vacância resultam de um átomo ausente em uma posição de rede. A estabilidade da estrutura cristalina circundante garante que os átomos vizinhos não irão simplesmente colapsar em torno da vacância. Isso pode ser causado pela interação direta de um nêutron de alta energia ou um fragmento de fissão. Se um alvo ou núcleo atingido ganha cerca de 25 eV de energia cinética (25 eV a 30 eV para a maioria dos metais) em uma colisão com uma partícula de radiação (geralmente um nêutron rápido), o núcleo será deslocado de sua posição de equilíbrio na rede cristalina . Durante uma irradiação longa (para grandes valores da fluência de nêutrons), muitos dos átomos deslocados retornarão aos locais normais (estáveis) da rede (ou seja, o recozimento parcial ocorre espontaneamente).
• Intersticiais. Defeitos intersticiais resultam de uma impureza localizada em um sítio intersticial ou um dos átomos da rede estando em uma posição intersticial em vez de estar em sua posição de rede. Um intersticial é formado quando um átomo, que é arrancado de sua posição, para em algum ponto remoto.
• Ionização. A ionização é causada pela remoção de elétrons de suas camadas eletrônicas e tem o efeito de alterar as ligações químicas das moléculas. No metal, a ionização não causa mudanças dramáticas nas propriedades do material. Isso se deve aos elétrons livres, típicos apenas da ligação metálica.
• Espigas Térmicas e de Deslocamento. Picos térmicos e de deslocamento podem causar distorção que é congelada como tensão na área microscópica. Esses picos podem causar uma alteração nas propriedades do material. Este termo identifica domínios localizados de alta temperatura causados ​​pela deposição de energia de nêutrons e fragmentos de fissão. Um pico de deslocamento ocorre quando muitos átomos em uma pequena área são deslocados por um knock-on (ou cascata de knock-ons). Um nêutron de 1 MeV pode afetar aproximadamente 5.000 átomos, constituindo um desses picos. A presença de muitos picos de deslocamento altera as propriedades do metal que está sendo irradiado, como aumento da dureza e diminuição da ductilidade.
• Átomos de Impureza. A captura de nêutrons e as reações nucleares induzidas por várias radiações têm o efeito de transmutar um átomo em um elemento estranho ao material.
• Deslizamento induzido por radiação. Em reatores nucleares, muitos componentes metálicos são submetidos simultaneamente a campos de radiação, temperaturas elevadas e estresse. Metal sob tensão em temperatura elevada exibe o fenômeno de fluência, ou seja. o aumento gradual da tensão com o tempo. A fluência de componentes de metal nas temperaturas de operação do reator torna-se mais rápida quando eles são expostos a um campo de radiação.

Nêutrons com energia suficiente podem perturbar o arranjo atômico ou a estrutura cristalina dos materiais. A influência do dano estrutural é mais significativa para os metais por causa de sua relativa imunidade ao dano por radiação ionizante. Os reatores de água pressurizada operam com uma taxa mais alta de impactos de nêutrons e seus vasos, portanto, tendem a experimentar um maior grau de fragilização do que os vasos de reatores de água fervente. Muitos reatores de água pressurizada projetam seus núcleos para reduzir o número de nêutrons que atingem a parede do vaso. Isso retarda a fragilização do vaso. Os regulamentos do NRC abordam a fragilização em 10 CFR Parte 50, Apêndice G, “Requisitos de Resistência à Fratura” e Apêndice H, “Requisitos do Programa de Vigilância de Material do Reator”. Como o vaso de pressão do reator é considerado insubstituível, a fragilização por irradiação de nêutrons de aços de vasos de pressão é uma questão-chave na avaliação de longo prazo da integridade estrutural para programas de obtenção e extensão de vida útil.

Danos de radiação são produzidos quando nêutrons de energia suficiente deslocam átomos (especialmente em aços em temperaturas operacionais de 260 a 300°C) que resultam em cascatas de deslocamento que produzem um grande número de defeitos, tanto vacâncias quanto intersticiais. Embora a superfície interna do RPV esteja exposta a nêutrons de energias variadas, os nêutrons de maior energia, aqueles acima de 0,5 MeV, produzem a maior parte do dano. A fim de minimizar essa degradação do material, o tipo e a estrutura do aço devem ser selecionados adequadamente. Hoje sabe-se que a suscetibilidade dos aços para vasos de pressão do reator é fortemente afetada (negativamente) pela presença de cobre, níquel e fósforo.

Como foi escrito, a distinção entre fragilidade e ductilidade não é facilmente aparente, especialmente porque tanto a ductilidade quanto o comportamento frágil dependem não apenas do material em questão, mas também da temperatura (transição dúctil-frágil) do material. O efeito da temperatura na natureza da fratura é de considerável importância. Muitos aços exibem fratura dúctil em temperaturas elevadas e fratura frágil em baixas temperaturas. A temperatura acima da qual um material é dúctil e abaixo da qual é frágil é conhecida como temperatura de transição dúctil-frágil (DBTT), temperatura de ductilidade nula (NDT) ou temperatura de transição de ductilidade nula. Esta temperatura não é precisa, mas varia de acordo com o tratamento mecânico e térmico prévio e a natureza e quantidade de elementos impuros. Pode ser determinado por alguma forma de teste de queda de peso (por exemplo, os testes Charpy ou Izod).

Para minimizar a fluência de nêutrons:

• Refletores de nêutrons radiais são instalados ao redor do núcleo do reator. Os refletores de nêutrons reduzem o vazamento de nêutrons e, portanto, reduzem a fluência de nêutrons em um vaso de pressão do reator.
• Os projetistas do núcleo projetam os padrões de carga de baixo vazamento, nos quais os conjuntos de combustível fresco não estão situados nas posições periféricas do núcleo do reator.

Se o metal for aquecido a temperaturas elevadas após a irradiação (uma forma de recozimento), verifica-se que a resistência e a ductilidade retornam aos mesmos valores de antes da irradiação. Isso significa que os danos causados ​​pela radiação podem ser recozidos de um metal.

Veja também: Temperatura de transição dúctil-frágil

Veja também: Fragilização por Irradiação

Veja também: Recozimento Térmico

Programa de Vigilância de Materiais de Navios Reatores

Programas de vigilância de navios reatores fornecer informações sobre o efeito da radiação nos materiais da embarcação em condições de operação. O programa de vigilância do vaso do reator utiliza cápsulas localizadas na parede do vaso diretamente opostas ao centro do núcleo. As cápsulas contêm amostras de aço do vaso do reator obtidas durante a fabricação do vaso e são retiradas periodicamente do vaso do reator. As cápsulas de vigilância devem estar localizadas perto da parede interna do vaso na região da linha de cintura para que as amostras de material dupliquem, no maior grau possível, o espectro de nêutrons, o histórico de temperatura e a fluência máxima de nêutrons experimentados na superfície interna do vaso do reator. Uma cápsula de espécime contendo espécimes para uso em testes mecânicos de entalhe em V, tração e fratura Charpy pode ser removida do reator durante os períodos normais de reabastecimento.

A técnica Charpy V-notch (CVN) é a mais comumente usada. O teste Charpy V-notch usa uma amostra entalhada de seção transversal definida. Para essas condições de carregamento dinâmico e quando um entalhe está presente, estamos usando a tenacidade ao entalhe. Os testes de impacto Charpy e Izod são usados ​​para medir esse parâmetro, que é importante para avaliar o comportamento de transição dúctil para frágil de um material. Da mesma forma que a tenacidade à tração, a tenacidade do entalhe é medida em unidades de joule por metro cúbico (J·m−3) no sistema SI, mas neste caso estamos medindo a área na posição do entalhe.

Também pode haver dosímetros especiais, incluindo níquel puro, cobre, ferro, alumínio-cobalto ou urânio-238, que podem ser colocados em espaçadores especialmente perfurados para conter os dosímetros.

De acordo com 10 CFR 50 Apêndice H, nenhum programa de vigilância de material é necessário para recipientes de reatores para os quais pode ser demonstrado de forma conservadora por métodos analíticos aplicados a dados experimentais e testes realizados em recipientes comparáveis, fazendo concessões apropriadas para todas as incertezas nas medições, que o a fluência máxima de nêutrons no final da vida útil projetada do recipiente não excederá 10¹⁷ n/cm² (E>1 MeV).

Referência Especial: NUREG-1511, Relatório de Status do Vaso de Pressão do Reator. Comissão Reguladora Nuclear dos EUA, Washington, DC, 1994.

Recozimento de vaso de pressão do reator

Durante a operação de uma usina nuclear, o material do vaso de pressão do reator e o material de outros componentes internos do reator são expostos à radiação de nêutrons (especialmente a nêutrons rápidos > 0,5 MeV), o que resulta em fragilização localizada  do aço e soldas no área do núcleo do reator. Esse fenômeno, conhecido como fragilização por irradiação, resulta em:

• Aumente constantemente o DBTT. Não é provável que o DBTT se aproxime da temperatura operacional normal do aço. No entanto, existe a possibilidade de que, quando o reator estiver sendo desligado ou durante um resfriamento anormal, a temperatura caia abaixo do valor DBTT enquanto a pressão interna ainda estiver alta.
• Queda na energia de fratura da prateleira superior. Os efeitos da radiação também se manifestam por uma queda na energia de fratura da prateleira superior e diminuição da tenacidade à fratura.

Todos esses efeitos devem ser monitorados pelos operadores da planta. Portanto, os reguladores nucleares exigem que um programa de vigilância do material do vaso do reator seja conduzido em reatores de potência refrigerados a água.

Uma vez que um material de RPV é degradado por fragilização por radiação (por exemplo, aumento significativo na temperatura de transição dúctil-frágil Charpy ou redução da tenacidade à fratura), o recozimento térmico do RPV é a única maneira de recuperar as propriedades de tenacidade do material RPV.

De acordo com 10 CFR 50.66 – Requisitos para recozimento térmico do vaso de pressão do reator:

“Para os reatores de energia nuclear de água leve onde a radiação de nêutrons reduziu a tenacidade à fratura dos materiais do vaso do reator, um recozimento térmico pode ser aplicado ao vaso do reator para recuperar a tenacidade à fratura do material.”

O recozimento térmico (método “seco”) do vaso de pressão do reator é um método pelo qual o vaso de pressão (com todos os internos do reator removidos) é aquecido até uma certa temperatura (geralmente entre 420 – 460 °C) pelo uso de uma fonte de calor externa ( aquecedores elétricos, ar quente), mantidos por um determinado período (por exemplo, 100 – 200 horas) e depois resfriados lentamente. O equipamento de recozimento é geralmente um forno em forma de anel com elementos de aquecimento em sua superfície externa. A potência de saída dos aquecedores instalados pode atingir até 1 MWe. Foi demonstrado que, para os materiais especialmente fabricados, a prateleira superior recuperou 100% após 24 horas de recozimento e mais rapidamente do que a temperatura de transição. O recozimento por 168 horas recuperou 90% da mudança de temperatura de transição.

Recozimento úmido

Existe também a possibilidade do chamado método de recozimento “úmido” que foi aplicado nos EUA e na Bélgica. O recozimento nessa temperatura ~340 °C foi alcançado sem aquecimento externo, mas pelo aumento da temperatura do líquido de arrefecimento obtido pela energia das bombas de circulação do circuito primário. Este tipo de recozimento proporciona apenas uma recuperação parcial do material devido à limitação da temperatura máxima.

Referência Especial: Recozimento e re-fragilização de materiais de vasos de pressão do reator. relatório AMES N.19; ISSN 1018-5593. Comunidades Européias, 2008.

Ciência de materiais:

1. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
2. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
3. 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.
4. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Materiais da Usina Elétrica