O zircônio e suas ligas são amplamente utilizados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. Zircônio ligado com nióbio ou estanho tem excelentes propriedades de corrosão. A alta resistência à corrosão das ligas de zircônio resulta da formação natural de um óxido denso e estável na superfície do metal. Este filme é auto-reparador, continua a crescer lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550°C (1020°F) e permanece fortemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas é também uma baixa seção transversal de captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, ligando-se ao nióbio.
- Zircônio – Ligas de Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimento de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material base do canal de montagem do reator RBMK. A liga Zr + 1% Nb do tipo N-1 E-110 é usada para revestimentos de elementos combustíveis, a liga Zr + 2,5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
- Zircônio – Ligas de Estanho. As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.
Uma composição típica de ligas de zircônio de grau nuclear é mais de 95% em peso de zircônio e menos de 2% de estanho, nióbio, ferro, cromo, níquel e outros metais, que são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. A liga mais utilizada, até o momento, em PWRs, tem sido o Zircaloy 4, porém atualmente esta está sendo substituída por novas ligas à base de zircônio-nióbio, apresentando melhor resistência à corrosão. A temperatura máxima na qual as ligas de zircônio podem ser usadas em reatores refrigerados a água depende de sua resistência à corrosão. As ligas de zircônio mais comuns, Zircaloy-2 e Zircaloy-4, contêm os fortes estabilizadores α estanho e oxigênio, além dos estabilizadores β ferro, cromo e níquel. Ligas do tipo Zircalloy, nas quais o estanho é o elemento de liga básico que proporciona melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição no mundo. Porém, neste caso, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor que resultou na necessidade de ligas adicionais. A melhoria provocada pelo nióbio aditivo provavelmente envolve um mecanismo diferente. A alta resistência à corrosão de ligas metálicas de nióbio em água e vapor em temperaturas de 400–550°C é causada por sua capacidade de passivação com formação de filmes protetores.
Oxidação de ligas de zircônio
A oxidação de ligas de zircônio é um dos processos mais estudados em toda a indústria nuclear. A reação oxidativa do zircônio com a água libera gás hidrogênio, que se difunde parcialmente na liga e forma hidretos de zircônio. Os hidretos são menos densos e mecanicamente mais fracos que a liga; sua formação resulta em bolhas e rachaduras no revestimento – um fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio. Embora muitos desses relatórios sejam escritos para abordar a reação de combustível e vapor com ligas de zircônio no caso de um acidente nuclear, ainda há um número substancial de relatórios que tratam da oxidação de ligas de zircônio em temperaturas moderadas de cerca de 800 K e abaixo .
Zr + 2H2O→ZrO2 + 2H2
Em altas temperaturas, a reação exotérmica de ligas à base de Zr com vapor é muito mais intensa e perigosa para a segurança de usinas nucleares durante acidentes como um acidente de perda de refrigerante (LOCA). O principal problema da oxidação em alta temperatura é que o revestimento de zircônio reage rapidamente com o vapor de água em alta temperatura. A cinética de oxidação de ligas de zircônio relevantes parece ser parabólica na faixa de temperatura de 1000-1500°C para muitas ligas à base de Zr.
Propriedades Térmicas da Liga de Zircônio – Zircaloy – 4
As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.
A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.
Ponto de Fusão da Liga de Zircônio – Zircaloy – 4
O ponto de fusão da liga de zircônio – Zircaloy-4 é em torno de 1850°C.
Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.
Condutividade Térmica da Liga de Zircônio – Zircaloy-4
As ligas de zircônio têm condutividade térmica mais baixa (cerca de 18 W/mK) do que o metal de zircônio puro (cerca de 22 W/mK).
As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.
A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:
A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.
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.
Esperamos que este artigo, Propriedades térmicas das ligas de zircônio, ajude você. Se sim, dê um like na barra lateral. O objetivo principal deste site é ajudar o público a aprender algumas informações interessantes e importantes sobre materiais e suas propriedades.
