Combustíveis tolerantes a acidentes (ATF) são uma série de novos conceitos de combustível nuclear, pesquisados para melhorar o desempenho do combustível durante a operação normal, condições transitórias e cenários de acidentes, como acidentes com perda de refrigerante (LOCA) ou acidentes iniciados por reatividade (RIA). Após o acidente de Fukushima Daiichi, foi iniciada uma revisão do comportamento do combustível. O combustível clad de liga de zircônio opera com sucesso em alta queima e é o resultado de 40 anos de desenvolvimento e melhoria contínua. No entanto, sob condições de acidentes graves, a alta temperatura de interação zircônio-vapor pode ser uma fonte importante de danos à usina. Essas atualizações incluem: O revestimento de combustível atual é a camada externa das varetas de combustível, ficando entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (isto é, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10–24 cm2), geralmente liga de zircônio. Ele evita que produtos de fissão radioativo escapem da matriz de combustível para o refrigerante do reator e o contaminem. O revestimento constitui uma das barreiras na abordagem de ‘defesa em profundidade‘, portanto, sua capacidade de resfriamento é um dos principais aspectos de segurança. 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. Os metais e ligas refratárias são bem conhecidos por sua extraordinária resistência ao calor e ao desgaste. O principal requisito para resistir a altas temperaturas é um alto ponto de fusão e propriedades mecânicas estáveis (por exemplo, alta dureza) mesmo em altas temperaturas. Os metais refratários mais comuns incluem cinco elementos: nióbio e molibdênio do quinto período e tântalo, tungstênio e rênio do sexto período. Todos eles compartilham algumas propriedades, incluindo um ponto de fusão acima de 2.000 °C e alta dureza à temperatura ambiente. Fabricabilidade pobre em baixa temperatura e extrema oxidabilidade em altas temperaturas são as principais desvantagens da maioria dos metais refratários. A aplicação desses metais requer uma atmosfera ou revestimento protetor. Em 2012, a EPRI iniciou um projeto de pesquisa independente com projetos conceituais de liga de molibdênio revestida como revestimento ATF para obter resistência a acidentes em uma faixa de temperatura de 1200 a 1500°C. O molibdênio (Mo) é um candidato devido ao seu ponto de fusão muito alto (2623°C) e sua alta resistência em temperaturas elevadas. Ao mesmo tempo, sabe-se que o Mo e suas ligas são suscetíveis à formação de MoO3 volátil em ambientes oxidantes a temperaturas > 600°C. Portanto, este programa de pesquisa usa um projeto composto no qual o revestimento de liga de Mo é coberto com um revestimento protetor externo de uma liga de Zr ou de uma liga contendo Al. Prevê-se que o revestimento de Mo revestido com liga de Zr possua resistência suficiente à corrosão e hidreto para o atual limite de queima de combustível e além. Prevê-se que os revestimentos duplex Mo-Zr e Mo-FeCrAl totalmente metálicos alcancem tolerância a acidentes, formando um óxido protetor durante um acidente. O fino revestimento de liga de Zr será completamente oxidado a ZrO2 quando a temperatura atingir 1000°C ou mais. Com a liga adequada, o ZrO2 manterá sua integridade e estabilidade e fornecerá proteção à liga de molibdênio subjacente. Um revestimento fino de FeCrAl é altamente resistente à corrosão em refrigerantes LWR devido à formação de um óxido protetor rico em cromo, principalmente Cr2O3. Em vapor de alta temperatura, FeCrAl é altamente resistente à corrosão devido à formação de um fino óxido rico em alumínio, Al2O3. As ligas FeCrAl consistem principalmente de ferro, cromo (20–30%) e alumínio (4–7,5%). Essas ligas são conhecidas sob a marca comercial Kanthal, que é uma família de ligas de ferro-cromo-alumínio (FeCrAl) usadas em uma ampla gama de aplicações de resistência e alta temperatura. O molibdênio é altamente resistente à oxidação em vapor de alta pureza ou redutor. Portanto, espera-se que o revestimento de molibdênio revestido mantenha boa integridade no caso de entrada de vapor em uma haste de combustível com falha, bem como sob um LOCA de base de projeto. No caso de o revestimento externo ser removido localmente, como devido ao atrito entre a grade e a haste, pode ocorrer corrosão localizada do revestimento de molibdênio.
Metais refratários para revestimento de combustível
Revestimento de molibdênio revestido com liga de Zr
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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