O que é Estresse de Pressão e Temperatura – Definição

Tensões de pressão são tensões induzidas em vasos contendo materiais pressurizados. A carga é fornecida pela mesma força que produz a pressão. Tensões térmicas existem sempre que gradientes de temperatura estão presentes em um material. Diferentes temperaturas produzem diferentes expansões e sujeitam os materiais a tensões internas. Esse tipo de tensão é particularmente perceptível em mecanismos que operam em altas temperaturas e são resfriados por um fluido frio. Essas tensões podem ser compostas de tensão de tração, que é a tensão decorrente de forças que atuam em direções opostas tendendo a separar um material, e tensão de compressão, que é a tensão decorrente de forças que atuam em direções opostas tendendo a unir um material. Essas tensões, de natureza cíclica, podem levar à falha por fadiga dos materiais.

O vaso de pressão do reator e a tubulação, ao contrário, estão sujeitos a grandes variações de carga, mas a frequência do ciclo é baixa; portanto, alta ductilidade é o principal requisito para o aço. Mangas térmicas são usadas em alguns casos, como bicos de pulverização e linhas de aumento, para minimizar tensões térmicas. Os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da planta. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a vida de fadiga da planta seja igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.

Uma questão de segurança que é um problema de longo prazo causado pelo envelhecimento das instalações nucleares é o choque térmico pressurizado (PTS). PTS é o choque experimentado por um vaso de paredes espessas devido às tensões combinadas de uma mudança rápida de temperatura e/ou pressão.

Referência Especial: Relatório de Status do Vaso de Pressão do Reator, US NRC. NUREG-1511. Escritório de Regulação de Reatores Nucleares Comissão Reguladora Nuclear dos EUA, Washington, 1994.

Limites de Pressão e Temperatura (P/T)

Os limites de pressão e temperatura (P/T) são curvas limites definidas na Especificação Técnica da usina. Cada curva de limite P/T define uma região aceitável para operação normal. 10 CFR 50, Apêndice G, requer o estabelecimento de limites P/T para requisitos específicos de tenacidade à fratura de material dos materiais de limite de pressão. Os limites de PT são derivados com base em análises mecânicas de fratura elástica linear (LEFM). Nessas análises, a temperatura mínima necessária para garantir margens adequadas contra falha do RPV é determinada em função da pressão.

P/T baseiam-se nas limitações de tensão do vaso e da cabeça do reator e na necessidade de impedir a fratura frágil do vaso e da cabeça do reator. O uso usual das curvas é orientação operacional durante manobras de aquecimento ou resfriamento, quando as indicações de pressão e temperatura são monitoradas e comparadas com a curva aplicável para determinar se a operação está dentro da região permitida. As curvas utilizadas pelas operações também incorporam o erro do instrumento para garantir uma margem de segurança adequada. Devido aos efeitos de fragilização da irradiação de nêutrons, a curva MPT se deslocará para a direita ao longo da vida útil do núcleo para explicar o aumento da fragilidade ou a diminuição da ductilidade.

Choque Térmico Pressurizado – PTS

Em geral, o choque térmico é uma carga mecânica causada por uma rápida mudança de temperatura de um determinado ponto. A mudança de temperatura causa tensões na superfície que estão sob tensão, o que pode favorecer a formação e propagação de trincas. Normalmente, os materiais cerâmicos são geralmente suscetíveis a choques térmicos, mas em algumas circunstâncias também os vasos pressurizados sofrem choques térmicos. Com aquecimento (ou resfriamento) rápido de um vaso de paredes espessas, como o vaso de pressão do reator, uma parte da parede pode tentar expandir (ou contrair) enquanto a seção adjacente, que ainda não foi exposta à mudança de temperatura, tenta para contê-lo.

Choque Térmico Pressurizado, PTS, significa um evento ou transiente em reatores de água pressurizada (PWRs) causando super-resfriamento severo (choque térmico) concomitante ou seguido por pressão significativa no vaso do reator. Neste cenário de acidente, a água fria entra em um reator enquanto o vaso está pressurizado. Isso esfria rapidamente o recipiente e coloca grandes tensões térmicas no aço. Eventos graves de super-resfriamento do sistema do reator que podem ser acompanhados por pressurização ou repressurização do vaso do reator podem resultar de uma variedade de causas. A pressão no sistema do reator aumenta a gravidade do choque térmico devido à adição de estresse de pressão. Os transientes, que combinam alta pressão do sistema e um choque térmico severo, são potencialmente mais perigosos devido ao efeito adicional das tensões de tração no interior da parede do vaso do reator. Os transientes relacionados ao PTS incluem:

• válvulas emperradas no sistema primário,
• válvulas emperradas no sistema secundário,
• pequenos acidentes de perda de refrigerante com injeção subseqüente de água do sistema de resfriamento de núcleo de emergência (ECCS),
• quebras na linha principal de vapor,
• rupturas na linha de água de alimentação.

O NRC criou 10 CFR Parte 50,61 e 50,61a – a “regra PTS” e a “regra PTS alternativa” – para garantir que o aço da embarcação permaneça forte o suficiente para proteger a integridade da embarcação. Essas regras exigem avaliações adicionais ou outras ações se a fragilização atingir certos limites.

RT_NDT = RT_NDT(U) + M + ΔRT_NDT

 Onde:

• RT_NDT significa a temperatura de referência para um material do vaso do reator, sob quaisquer condições. Para os materiais da linha de cintura do vaso do reator, o RTNDT deve levar em consideração os efeitos da radiação de nêutrons.
• RT_NDT(U) significa a temperatura de referência para um material do vaso do reator na condição pré-serviço ou não irradiada.
• ΔRT_NDT é o aumento em RT_NDT causado pela irradiação
• M é uma margem adicionada para cobrir incertezas nas propriedades iniciais, teores de cobre e níquel, fluência e procedimentos de cálculo. Quanto maiores as quantidades de cobre, níquel e fluência de nêutrons, maior o aumento.

Enquanto a tenacidade à fratura do material do vaso do reator for relativamente alta, tais eventos não ameaçarão a integridade do RPV. No entanto, a tenacidade à fratura dos materiais do vaso do reator diminui com a exposição a nêutrons rápidos durante a vida útil de uma usina nuclear. Se a tenacidade à fratura do material do vaso tiver sido reduzida o suficiente, eventos PTS graves podem causar a propagação de pequenas falhas que podem existir perto da superfície interna do vaso. A suposta falha inicial pode se propagar em uma rachadura através da parede do vaso de extensão suficiente para ameaçar a integridade do vaso e, portanto, a capacidade de resfriamento do núcleo.

Embora o PTS não afete os reatores de água fervente, há condições muito limitadas em que esses vasos podem sobrepressurizar em baixas temperaturas.

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

Referência especial: DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK MATERIAL SCIENCE Volume 2 de 2, DOE-HDBK-1017/2-93, Washington, DC, 1993.

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