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.
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.
- 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.
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