O que é Fusão de Combustível Nuclear - Definição

Embora o ponto de fusão do UO2 seja superior a 2800 °C, o combustível geralmente é operado em temperaturas de pico muito mais baixas (menos de 1400 °C). Isso fornece margem suficiente para o derretimento do combustível e para a perda da integridade do combustível. Em geral, o derretimento de combustível deve ser excluído também para acidentes de condição III e IV. Derretimento de Combustível Nuclear

A condutividade térmica do dióxido de urânio é muito baixa quando comparada com urânio metálico, nitreto de urânio, carboneto de urânio e material de revestimento de zircônio. A condutividade térmica é um dos parâmetros que determinam a temperatura central do combustível. Essa baixa condutividade térmica pode resultar em superaquecimento localizado na linha central do combustível e, portanto, esse superaquecimento deve ser evitado. O superaquecimento do combustível é evitado mantendo a taxa de calor linear de pico (LHR) em estado estacionário ou o Fator de Canal Quente do Fluxo de Calor – F _Q (z) abaixo do nível em que ocorre o derretimento da linha central do combustível. A expansão do pellet de combustível após a fusão da linha central pode fazer com que o pellet estresse o revestimento a ponto de falhar.

Embora o ponto de fusão do UO2 seja superior a 2800 °C, o combustível geralmente é operado em temperaturas de pico muito mais baixas (menos de 1400 °C). Isso fornece margem suficiente para o derretimento do combustível e para a perda da integridade do combustível. Em geral, o derretimento de combustível deve ser excluído também para acidentes de condição III e IV. Mas o desastre nuclear de Fukushima Daiichi em 2011 eleva o problema de segurança das usinas nucleares a um novo nível no mundo. É difícil prever esses eventos e todos os outros acidentes fora do projeto e se preparar para eles devido à sua extrema raridade. Sob essas circunstâncias raras, a planta pode não ser capaz de operar com segurança. A redução na margem de segurança de uma planta pode causar falhas catastróficas, como colapsos

No caso de fusão de combustível nuclear, é necessário distinguir em qual evento a temperatura de fusão do combustível é atingida. O derretimento do combustível pode ocorrer:

Dominação lenta da haste de combustível. No caso de um aumento no overpower do combustível que é lento em comparação com a taxa de transferência de calor através do combustível, a fusão ocorre apenas em escala local.
Perda do dissipador de calor final. No caso de perda de refrigerante do reator, a potência da haste diminui, a temperatura do combustível é apenas algumas dezenas de graus Celsius acima da temperatura do revestimento.
Acidentes RIA. Nesses acidentes, a grande e rápida deposição de energia no combustível pode resultar em derretimento, fragmentação e dispersão do combustível.

Acidente de derretimento do núcleo do reator

Acidente de fusão do núcleo do reator é um evento ou sequência de eventos que resulta no derretimento de parte do combustível no núcleo do reator. Embora este evento seja muito improvável, não pode ser descartado. São muitas e muitas barreiras que precisam ser transpostas. Especialmente, a falha comum (geralmente 3×100%) do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) deve ocorrer após perda severa de acidente de refrigerante.

Este tipo de acidente é conhecido sob o termo fusão nuclear (derretimento do núcleo), mas isso não é definido oficialmente pela Agência Internacional de Energia Atômica ou pela Comissão Reguladora Nuclear. O acidente de derretimento do núcleo é um grave acidente de reator nuclear que resulta em danos ao núcleo por superaquecimento. Ocorre quando o calor gerado por um reator nuclear excede o calor removido pelos sistemas de resfriamento a ponto de pelo menos um elemento do combustível nuclear exceder seu ponto de fusão. O calor que causa a fusão de um reator pode se originar da reação nuclear em cadeia, mas mais comumente o calor de decaimento dos produtos de fissão contidos nas varetas de combustível é a fonte primária de calor.

Se o núcleo do reator permanecer seco por um período de tempo considerável, a temperatura das varetas de combustível aumenta e pode atingir localmente níveis que causam degradação significativa e irreversível do núcleo. Os mecanismos dessa degradação são químicos e mecânicos. Dependendo dos níveis de temperatura locais, a degradação pode resultar em produção de hidrogênio mais ou menos severa, liberação de produto de fissão (FP) e formação e propagação de cório fundido em direção à cabeça inferior.

Referência especial: Acidentes de derretimento do núcleo do reator de energia nuclear ISBN: 978-2-7598-1835-8, IRSN 2015.

Corium

Corium, também chamado de material contendo combustível (FCM), é um material semelhante à lava criado no núcleo de um reator nuclear durante um acidente de fusão. Isso consiste de:

mistura de combustível nuclear e revestimento de zircônio oxidado,
produtos de fissão,
hastes de controle,
materiais estruturais das partes afetadas do reator, produtos de sua reação química com ar, água e vapor,
e, no caso de rompimento do vaso do reator, concreto derretido do piso da sala do reator.

Se a temperatura atingir o ponto de fusão do UO2, o combustível degrada-se geralmente a partir do centro do núcleo. Devido à formação dos líquidos eutéticos, a temperatura de fusão pode ser várias centenas de graus abaixo do ponto de fusão do UO2 (3100 K). O zircônio do combustível clad, juntamente com outros metais, reage com a água e produz dióxido de zircônio e hidrogênio. A produção de hidrogênio é um grande perigo em acidentes com reatores. À medida que a massa fundida eutética aumenta, a poça de cório pode se formar e se expandir axial e radialmente no núcleo até atingir o defletor ou a placa de suporte do núcleo. Neste momento, o cório flui para a parte inferior da cabeça. A degradação pode resultar em configurações muito diferentes no núcleo simultaneamente, variando de hastes intactas ou pouco degradadas até a formação de uma poça de cório ou um leito de detritos.

Em todos os casos, o cório evapora gradativamente a água presente na cabeça inferior. Se não houver abastecimento adicional de água e a configuração dos detritos não puder ser resfriada de forma eficaz, a temperatura dos materiais aumenta gradativamente até atingir o ponto de fusão das estruturas de aço (placas, tubos, etc.) localizadas na cabeceira inferior. No caso de resfriamento adequado do cório, ele pode solidificar e o dano é limitado ao próprio reator. No entanto, na ausência de resfriamento adequado, o cório pode derreter através do vaso do reator e fluir para fora ou ser ejetado como uma corrente fundida pela pressão dentro do vaso do reator.

No entanto, o reabastecimento do núcleo pode não ser benéfico em todas as condições. Os seguintes fenômenos podem ocorrer durante a inundação:

geração massiva de vapor, com produção de hidrogênio e aumento do reator
pressão do sistema de refrigeração;
explosão de vapor através da interação cório-água;
continuação da fusão do núcleo, apesar do influxo de água;
liberação mais rápida de produtos de fissão.

No caso de falha do vaso do reator durante um acidente de derretimento do núcleo, o cório resultante desse derretimento do núcleo e o derretimento das estruturas internas serão derramados no tapete de base do poço do reator. A interação núcleo fundido-concreto (MCCI) é tratada como um dos importantes fenômenos que podem levar à falha tardia de contenção por penetração do manto de base em um hipotético acidente grave de reatores de água leve (LWRs). O processo é impulsionado pela alta temperatura inicial do cório fundido e pelo calor de decaimento que é gerado dentro do fundido pelo decaimento radioativo dos produtos de fissão. Obviamente, a progressão do MCCI é de suma importância e desempenha um papel fundamental para ameaçar a integridade da contenção, a última barreira dos produtos da fissão.

Referências:

Ciência de materiais:

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.
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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.

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