O que são Materiais para Reatores Nucleares – Problemas de Materiais – Definição

Os reatores de água pressurizada usam um vaso de pressão do reator (RPV) para conter o combustível nuclear, o moderador, as hastes de controle e o refrigerante. Eles são resfriados e moderados por água líquida de alta pressão (por exemplo, 16MPa). Nesta pressão, a água ferve a aproximadamente 350°C (662°F). A temperatura de entrada da água é de cerca de 290°C (554°F). A água (refrigerante) é aquecida no núcleo do reator a aproximadamente 325°C (617°F) conforme a água flui através do núcleo. Como pode ser visto, o reator tem aproximadamente 25°C de refrigerante sub-resfriado (distância da saturação).

O vaso de pressão do reator é o vaso de pressão que contém o núcleo do reator e outros componentes internos do reator. É um vaso cilíndrico com um cabeçote inferior hemisférico e um cabeçote superior flangeado e vedado. A cabeça inferior é soldada ao invólucro cilíndrico enquanto a cabeça superior é aparafusada ao invólucro cilíndrico por meio de flanges. A cabeça superior é removível para permitir o reabastecimento do reator durante as interrupções planejadas.

O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade e todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico (por exemplo, 304L) para para minimizar a corrosão.

O aço de baixo carbono, também conhecido como aço macio, é agora a forma mais comum de aço porque seu preço é relativamente baixo, ao mesmo tempo em que fornece propriedades de material aceitáveis ​​para muitas aplicações. O aço de baixo carbono contém aproximadamente 0,05–0,25% de carbono, tornando-o maleável e dúctil. O aço macio tem uma resistência à tração relativamente baixa, mas tem alta tenacidade e é fácil de formar. Os requisitos especiais para materiais do vaso do reator incluem baixa capacidade de ativação (especialmente devido à formação de Co-60). Exemplos de aços carbono de baixa liga de alta qualidade:

• SA-508 Gr.3 Cl.2 (aço ferrítico de baixa liga)
• 15Kh2NMFA (aço ferrítico de baixa liga)

Agentes de Liga

O ferro puro é muito mole para ser usado como estrutura, mas a adição de pequenas quantidades de outros elementos (carbono, manganês ou cromo, por exemplo) aumenta muito sua resistência mecânica. O efeito sinérgico dos elementos de liga e do tratamento térmico produz uma enorme variedade de microestruturas e propriedades. Os quatro principais elementos de liga são:

• Cromo. Nestes aços, o cromo aumenta a dureza e a resistência. De um modo geral, a concentração especificada para a maioria dos graus é de aproximadamente 2%. Este nível parece resultar no melhor equilíbrio entre dureza e tenacidade. O cromo desempenha um papel importante no mecanismo de endurecimento e é considerado insubstituível. Em temperaturas mais altas, o cromo contribui com maior resistência.
• Níquel. O níquel não forma nenhum composto de carboneto no aço, ele permanece em solução na ferrita, fortalecendo e endurecendo a fase de ferrita.
• Molibdênio. O molibdênio (cerca de 0,50-8,00%) quando adicionado a um aço o torna mais resistente a altas temperaturas. O molibdênio aumenta a temperabilidade e a resistência, principalmente em altas temperaturas devido ao alto ponto de fusão do molibdênio. O molibdênio é único na medida em que aumenta a resistência à tração e à fluência do aço em altas temperaturas.

Os aços inoxidáveis ​​austeníticos, que são usados ​​como revestimento resistente à corrosão, contêm entre 16 e 25% de cromo e também podem conter nitrogênio em solução, ambos os quais contribuem para sua resistência à corrosão relativamente alta. O grau mais conhecido é o aço inoxidável AISI 304, que contém cromo (entre 15% e 20%) e níquel (entre 2% e 10,5%) metais como principais constituintes não ferrosos. O aço inoxidável 304 possui excelente resistência a uma ampla gama de ambientes atmosféricos e a muitos meios corrosivos. Essas ligas são geralmente caracterizadas como dúcteis, soldáveis ​​e endurecíveis por conformação a frio.

O aço inoxidável tipo 304L, amplamente utilizado na indústria nuclear, é uma versão de carbono extra baixo da liga de aço 304. Este grau tem propriedades mecânicas ligeiramente inferiores ao grau 304 padrão, mas ainda é amplamente utilizado graças à sua versatilidade. O menor teor de carbono no 304L minimiza a precipitação deletéria ou prejudicial de carboneto como resultado da soldagem. O 304L pode, portanto, ser usado “como soldado” em ambientes de corrosão severa e elimina a necessidade de recozimento. O grau 304 também possui boa resistência à oxidação em serviço intermitente a 870 °C e em serviço contínuo a 925°C. Como o grau 304L não requer recozimento pós-soldagem, ele é amplamente utilizado em componentes de bitola pesada. Exemplos de aços inoxidáveis ​​usados:

• Tipo de aço inoxidável 304L
• Tipo 08Kh18N10T aço inoxidável

Os vasos de pressão do reator são os componentes-chave de maior prioridade em usinas nucleares. O vaso de pressão do reator abriga o núcleo do reator e, devido à sua função, tem importância direta para a segurança. Durante a operação de uma usina nuclear, o material do vaso de pressão do reator é exposto à radiação de nêutrons (especialmente a nêutrons rápidos), o que resulta em fragilização localizada do aço e soldas na área do núcleo do reator. A fim de minimizar tal degradação do material, refletores radiais de nêutrons são instalados ao redor do núcleo do reator. Existem dois tipos básicos de refletores de nêutrons, o defletor de núcleo e o defletor de nêutrons.refletor pesado. Devido à maior densidade de número atômico, os refletores pesados ​​reduzem o vazamento de nêutrons (especialmente de nêutrons rápidos) do núcleo de forma mais eficiente do que o defletor do núcleo. Como o vaso de pressão do reator é considerado insubstituível, esses efeitos de envelhecimento do RPV têm o potencial de ser condições limitantes da vida útil de uma usina nuclear.

Problemas materiais e desafios de reatores nucleares

Os principais problemas, ou melhor, desafios, que devem ser levados em conta ao projetar reatores, são:

• Tensões de pressão e temperatura com limites associados
  • Limites de Pressão e Temperatura (P/T)
  • Taxas de aquecimento e resfriamento
  • Limites de proteção contra sobrepressão de baixa temperatura
  • Choque Térmico Pressurizado
• Danos por radiação aos materiais do reator
  • Temperatura de transição dúctil-frágil
  • Tenacidade da prateleira superior
• Corrosão

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.

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