Existem várias causas de falha de combustível, que foram identificadas no passado. Nas primeiras datas das operações PWR e BWR, essas causas eram predominantemente defeitos de fabricação ou atrito. A lista a seguir não está completa, também existem mecanismos de falha que são típicos para determinados projetos de reator e combustível. Deve-se notar também que muitas das causas de falha de combustível nunca foram identificadas e permanecem desconhecidas.
- Preocupado. Fretting foi um dos principais mecanismos de falha nas primeiras datas das operações PWR e BWR. Tem normalmente duas variantes.
- Preocupação com detritos. A fricção de detritos pode ser causada por qualquer detrito (material estranho – geralmente metálico) que pode entrar no feixe de combustível e que tem o potencial de se alojar entre a grade do espaçador e uma vareta de combustível. O desgaste por atrito do revestimento de combustível pode resultar na penetração do revestimento.
- Fretting grade-para-haste. O atrito grade-a-haste surge da vibração do elemento combustível gerada pela alta
velocidade do refrigerante através da grade de espaçamento. As grades espaçadoras são soldadas nos tubos guia e garantem, por meio de molas e reentrâncias, o suporte da vareta combustível e o espaçamento. A alta velocidade do refrigerante pode fazer com que a haste esfregue contra a parte da grade do espaçador
que a segura. Este tipo de desgaste do revestimento pode ser minimizado pelo projeto adequado da grade de espaçamento. O jateamento defletor geralmente é agrupado sob o desgaste grade-a-haste.
- Interação pellet-cladding (PCI). As falhas devido ao PCI são típicas para mudanças de energia, movimento da haste e partida da planta. Eles geralmente ocorrem dentro de algumas horas ou dias após uma rampa de potência ou movimento das hastes de controle. Isso resulta especialmente em restrições de taxa de rampa de inicialização.
- Secar. Nos BWRs, quando o fluxo de calor excede um valor crítico (CHF – critical heat flux) o padrão de fluxo pode atingir as condições de secagem (a fina película de líquido desaparece). A transferência de calor da superfície do combustível para o líquido de arrefecimento é deteriorada, resultando em um aumento drástico na temperatura da superfície do combustível. Este fenômeno pode causar falha na haste de combustível afetada.
- defeitos de fabricação
- Defeitos de solda do plugue final.
- Colapso de fluência do revestimento. O colapso do revestimento pode ser causado pela densificação dos grânulos de combustível formando lacunas axiais na coluna de grânulos, resultando em colapso da pressão externa. Como a fluência depende do tempo, o colapso total normalmente ocorre em queimas mais altas. Este tipo de falha pode ser eliminado através da utilização de pellets com densificação moderada e pré-pressurização das hastes.
- Superfície de pelota ausente
- Hidratação Interna. A inclusão inadvertida de materiais contendo hidrogênio dentro de uma barra de combustível pode resultar em hidretação e, portanto, fragilização do revestimento de combustível. As fontes de hidrogênio foram principalmente umidade residual ou contaminação orgânica em pastilhas/barras de combustível. Essa causa de falha foi praticamente eliminada por meio de melhorias na fabricação.
- Corrosão induzida em bruto. As falhas de corrosão induzidas no bruto são devidas ao fluxo de calor anormalmente alto que excede o fluxo de calor ou os limites de corrosão por queima ou a problemas químicos da água que levam a depósitos excessivos de petróleo bruto. Nos BWRs, a corrosão induzida pelo petróleo bruto foi uma das principais causas de falha de combustível na década de 1980.
- Craqueamento retardado de hidretos (DHC). A trinca de hidreto retardada é o início da trinca dependente do tempo e a propagação através da fratura de hidretos que podem se formar à frente da ponta da trinca. Este tipo de falha pode ser iniciado por longas fissuras na superfície externa do revestimento, que podem se propagar na direção axial/radial. Esse mecanismo de falha pode potencialmente limitar a
operação de alta queima. - Danos no manuseio de combustível
Veja também: AIEA, Revisão de falhas de combustível em reatores refrigerados a água. Nº NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Viena, 2010.
Perda de Estanqueidade do Revestimento de Combustível
O revestimento evita que os produtos da fissão radioativa escapem da matriz de combustível para o refrigerante do reator e o contaminem. O surgimento de um vazamento naquele revestimento resulta em:
- o transporte de elementos químicos específicos (produtos de fissão) que são estáveis e radioativos (iodo, xenônio, criptônio …) para o circuito primário do reator
- depósitos de isótopos de vida longa (césio, estrôncio, tecnécio …), ou ainda, em circunstâncias excepcionais, de emissores alfa na tubulação do circuito primário, ou de circuitos auxiliares
- um aumento no nível geral de irradiação para aquele circuito, do nível já devido a produtos de ativação (produtos de corrosão, por exemplo, cobalto, cromo, ferro em particular)
Uma fuga representa, assim, um grande desafio em termos operacionais para o operador de uma central eléctrica, uma vez que tem influência directa no nível de exposição radiológica a que os trabalhadores estão sujeitos, na exploração da central ou na sua manutenção. Embora as falhas de combustível raramente tenham sido um problema relacionado à segurança, seu impacto nos custos operacionais da planta devido a:
- descarga prematura de combustível,
- seguindo o encurtamento do ciclo,
- possíveis interrupções não programadas,
- aumento do volume de combustível irradiado
Um dos passos necessários para atingir a meta de defeito zero é entender as causas raízes das falhas e seus mecanismos, para que algumas ações corretivas possam ser implementadas, seja por meio de melhorias no projeto e fabricação do combustível pelos fornecedores de combustível, seja por mudanças operacionais, como como manobras de potência reduzida.
Referência Especial: CEA, Divisão de Energia Nuclear. Combustíveis Nucleares, ISBN 978-2-281-11345-7
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