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:
- aditivos especialmente concebidos para pellets de combustível padrão destinados a melhorar várias propriedades e desempenho
- revestimentos robustos aplicados na parte externa de revestimentos padrão destinados a reduzir a corrosão, aumentar a resistência ao desgaste e reduzir a produção de hidrogênio sob condições de alta temperatura (acidente).
- desenvolvimento de projetos de combustível completamente novos com revestimento cerâmico e diferentes materiais de combustível
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.
Aços Avançados
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. FeCrAl é altamente resistente à corrosão devido à formação de um óxido fino rico em alumínio, Al2O3.
O ATF à base de FeCrAl utiliza um material de liga de FeCrAl como revestimento de haste de combustível em combinação com pastilhas de combustível de dióxido de urânio (UO2) atualmente em uso. As varetas de combustível revestidas de liga de FeCrAl (com combustível UO2) parecem exibir propriedades que atendem ou excedem os requisitos técnicos atuais de projeto de combustível (com as exceções indicadas abaixo), ao mesmo tempo em que fornecem maior benefício de segurança durante eventos de base de projeto e condições de acidentes graves. A principal vantagem do conceito sobre o Zircaloy é sua cinética de oxidação substancialmente mais lenta até 1773 K (1500°C). As ligas de FeCrAl têm resistência mecânica semelhante ou superior à da zircônia, com escoamento plástico (balonização) e características de perfuração semelhantes ou melhores que as ligas de zircônio.
Existem duas desvantagens principais dos clads de combustível à base de FeCrAl:
- Aumento da absorção de nêutrons parasitas. Devido ao aumento da seção transversal de absorção de nêutrons do ferro.
- Liberações de trítio. Há um aumento potencial na liberação de trítio no refrigerante do reator. O trítio é produzido como um produto de fissão (FP). O FeCrAl não reage com o hidrogênio para formar hidretos estáveis de forma semelhante a uma liga à base de zircônio, resultando em maior permeabilidade do trítio através do revestimento para o refrigerante do reator.
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