CURSO DE INTRODUO ENGENHARIA DO NCLEO DE REATORES

JOS AUGUSTO PERROTTA

Julho 1999

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SUMRIO

1 REATORES NUCLEARES 3

2 COMPONENTES E MATERIAIS PRINCIPAIS DE UM REATOR 4

3 COMBUSTVEIS NUCLEARES 11

4 ELEMENTOS DE CONTROLE 34

5 ANLISE DE PROJETO DE ELEMENTOS COMBUSTVEIS 42

6 QUALIFICAO DE E.C. 56

7 BIBLIOGRAFIA 64

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1 REATORES NUCLEARES

Os reatores nucleares usam como princpio bsico a fisso do ncleo de determinados istopos do Urnio e Plutnio atravs de nutrons com energias determinadas, gerando a cada fisso uma grande quantidade de energia (200 MeV), produtos de fisso radioativos e nutrons de altas energias. Como efeito da fisso de vrios ncleos, e com conseqente emisso de nutrons a cada fisso, gerada uma reao em cadeia que, controlada, pode ser utilizada para vrias finalidades como por exemplo: servir de fonte de nutrons para irradiao e ativao de materiais; servir para gerar potncia para diversas utilizaes; servir para produzir materiais transurnicos (plutnio principalmente), etc. Os reatores nucleares possuem os meios para manter a reao em cadeia de forma controlada.

Pode-se basear a classificao de reatores nucleares sob os seguintes itens:

i. energia dos nutrons utilizados para fisso ii. propsito de funcionamento do reator iii. tipo de combustvel e/ou refrigerante e/ou moderador

Dentro de cada um destes itens pode-se definir diferentes tipos de reatores:

i. quanto energia de nutrons utilizados para fisso:

a) reatores rpidos - os nutrons rpidos, ou seja, de alta energia, (En > 100 KeV) causam a maioria das fisses.

b) reatores intermedirios ou epitrmicos - nutrons epitrmicos, ou seja, de mdia energia (0.3 KeV < En < 10 KeV) causam a maioria das fisses.

c) reatores trmicos - nutrons trmicos, ou seja, de baixa energia (En < 0.3 KeV) causam a maioria das fisses.

ii. quanto ao propsito de funcionamento: a) reatores de potncia - tem a finalidade de gerar energia. Podem gerar

energia eltrica, servir para aquecimento industrial e residencial, servir para propulso de embarcaes, etc.

b) reatores de pesquisa - tem a finalidade de pesquisa, irradiao e teste de materiais, produo de radioistopos, etc.

c) reatores de ensino - tem a finalidade de treinamento e ensino. iii. quanto ao tipo de combustvel/refrigerante/moderador pode-se definir

alguns tipos de reatores de potncia: a) reatores refrigerados a gs (moderados a grafite) (GCR), reatores

avanados refrigerados a gs (AGR), reatores de alta temperatura refrigerados a gs (HTGR) e reatores rpidos refrigerados a gs (GCFBR) usando Urnio natural ou levemente enriquecido.

b) reatores refrigerados e moderados a gua leve (PWR, BWR), usando Urnio enriquecido.

c) reatores de gua pesada (HWR) usando Urnio natural, gua pesada como moderador e gua leve ou pesada como refrigerante.

d) reatores rpidos usando Plutnio e Urnio como combustvel e metal lquido (Sdio) como refrigerante.

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Entre estes reatores, os reatores de gua leve so os mais utilizados na gerao de energia eltrica e foi a linha adotada pelo Brasil na construo de suas centrais nucleares (PWR).

2 COMPONENTES E MATERIAIS PRINCIPAIS DE UM REATOR

Verificou-se no captulo anterior que existem vrias finalidades distintas. Englobando vrias reas de engenharia, procura-se projetar e especificar como devem ser os componentes e materiais que compem o reator de forma a atender os objetivos propostos para sua utilizao. No projeto de um reator nuclear a seleo dos materiais uma etapa importante pois envolve o conhecimento de suas propriedades para todas as situaes envolvidas e, principalmente, a mudana dessas propriedades num meio de alta radiao.

2.1 Propriedades Gerais e Especiais na Seleo de Materiais de Reatores Nucleares

Os requisitos de propriedades materiais em reatores podem ser divididos em duas categorias principais:

i. propriedades gerais ou consideraes bsicas; ii. propriedades especiais ou consideraes particulares

As propriedades gerais so similares s propriedades de materiais convencionais na engenharia as quais so referidas na maioria dos projetos de engenharia. Essas propriedades so:

a) resistncia mecnica - a habilidade de um elemento mecnico ou membro estrutural resistir s tenses impostas por carregamentos externos ou de servio. A resistncia mecnica de um elemento mecnico ou membro estrutural deve ser adequada sob qualquer condio de operao de um reator nuclear.

b) ductilidade - a propriedade mecnica que permite ao material se deformar plasticamente (aps escoamento) antes da ruptura.

c) integridade estrutural - a estabilidade mecnica da estrutura. Uma estrutura ou componente do reator pode manter sua integridade mecnica quando possui adequada resistncia mecnica, ductilidade e alta estabilidade para resistir s combinaes de carregamentos provenientes de condies severas de operao.

d) conformabilidade - a possibilidade de fabricao de peas interligadas por processos padres de conformao, ex.: encaixe, rebitagem, soldagem, etc.

e) usinabilidade - a susceptibilidade do material sofrer operaes com mquinas tais como corte, moagem, laminao, etc.

f) corroso - a corroso pode atacar todos os materiais metlicos em contato com fludos corrosivos (refrigerantes lquidos e gasosos) e deve ser sempre levada em considerao para a seleo dos materiais.

g) propriedades de transferncia de calor - existem trs modos gerais de transferncia de calor: por conduo; por conveco; por radiao. Os dois primeiros so da maior importncia no projeto do reator e na seleo dos materiais. O calor gerado

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no combustvel deve ser eficientemente removido no caso de reatores de potncia. Os processos de remoo de calor, utilizao e gerao de potncia nas plantas nucleares requerem boas propriedades de transferncia de calor dos materiais empregados.

h) estabilidade trmica - uma importante caracterstica para materiais que operam a temperaturas elevadas. Na maioria dos casos prticos a resistncia mecnica, a integridade estrutural e a resistncia corroso decrescem com aumento de temperatura. Particularmente a condutividade trmica do xido de Urnio e Plutnio decresce drasticamente perto do ponto de fuso. Alm disso, o refrigerante pode vaporizar e tornar o reator instvel a altas temperaturas. A estabilidade trmica essencial para a segurana do reator.

i) compatibilidade - a compatibilidade dos materiais um critrio primordial que requer que todos os materiais e componentes em um dado sistema sejam compatveis, ou seja, devem ser consistentes entre si e funcionar convenientemente.

j) disponibilidade e custo - so consideraes econmicas bsicas nos projetos de engenharia e na seleo dos materiais. As vezes um determinado material pode ter excelentes propriedades mas se no h disponibilidade comercial e custo razovel de fabricao este torna-se difcil de ser utilizado.

As propriedades especiais requeridas para materiais nucleares resultam das fontes de radiao nuclear, ou irradiao, e das condies do sistema do reator. As propriedades dos materiais podem ter uma grande variao sob irradiao.

a) propriedades neutrnicas - as propriedades neutrnicas consistem principalmente da forma de interao dos nutrons com o material. A interao pode dar-se por fisso, captura e espalhamento. A medida da probalidade da interao denominada seo de choque. Cada elemento de um determinado material tem uma caracterstica prpria de seo de choque de absoro (captura ou fisso) e de espalhamento e a seleo do material deve compatibilizar esta caracterstica com a funo do material ou componente dentro do reator.

b) radioatividade induzida - a absoro de nutrons trmicos ou rpidos em um reator nuclear pode gerar transmutaes nucleares e produo de istopos instveis e estveis. As partculas alfa e beta e a radiao gama emitidas durante as transmutaes nucleares e produo de istopos so referenciadas como a radioatividade induzida das reaes nucleares. Se a radiao induzida tem uma meia vida longa ou a radiao gama de alta energia, haver dificuldade em inspecionar, reparar e desenvolver manuteno sob condies de intensa radiao.

c) estabilidade irradiao - a irradiao com nutrons no reator induz a mudanas sensveis nas propriedades fsicas, mecnicas e metalrgicas dos materiais. Alm disso no combustvel, com a fisso do Urnio ou Plutnio so produzidos produtos de fisso, sendo alguns deles gasosos, o que gera uma mudana na matriz do material combustvel. Efeitos como inchamento, densificao, so observados no combustvel, mudanas de propriedades mecnicas, como por exemplo, ductilidade e fluncia so observadas em materiais estruturais (Tabela 2.1).

d) interao qumica e interdifuso de partculas - so freqentemente observadas em espcimes irradiados interaes qumicas e interdifuso de partculas entre o material combustvel e o material utilizado para revesti-lo. Em geral isto pode enfraquecer a integridade estrutural e a estabilidade irradiao, bem como deteriorar a transferncia de calor do combustvel para o refrigerante.

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TABELA 2.1 - Efeitos da irradiao nas propriedades dos materiais

PROPRIEDADE EFEITO DE IRRADIAO (nvt)

APLICAO PRINCIPAL

a) NUCLEAR Seo de choque de fisso Reatividade Queima do combustvel

diminui diminui aumenta

material combustvel fssil desempenho do combustvel desempenho do combustvel

b) FSICA Resistividade Eltrica Susceptibilidade magntica Resistividade magntica

aumenta diminui diminui

fluxo de corrente gerao de campo magntico

c) TRMICA Condutividade trmica Difusividade trmica Coeficiente de expanso trmica

diminui diminui aumenta ligeiramente

transf. de calor por conduo transf. de calor por conduo compatibilidade trmica

d) MECNICA Tenso de escoamento

Tenso de ruptura

Tenso de escoamento cclica Ductilidade Dureza

Fragilizao Temperatura de transio ductil-frgil Creep Tempo de ruptura por creep Resistncia a fadiga

aumenta (material recozido) varia com a temperatura de irradiao (material encruado) aumenta (material recozido) varia com a temperatura de irradiao (material encruado) aumenta diminui aumenta

aumenta aumenta aumenta diminui aumenta (alto ciclo) diminui (baixo ciclo)

materiais estruturais materiais estruturais materiais estruturais materiais combustveis e estruturais materiais de controle e estruturais materiais estruturais materiais estruturais materiais estruturais materiais estruturais materiais estruturais

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2.2 Componentes e Materiais Principais de um Reator Nuclear

A classificao funcional e os principais materiais utilizados em reatores nucleares so mostrados na Tabela 2.2

TABELA 2.2 - Classificao dos principais materiais do reator

CLASSIFICAO FUNO MATERIAIS PRINCIPAIS

a) COMBUSTVEL NUCLEAR

tem a funo de conter os elementos fsseis e frteis que iro produzir as fisses da reao em cadeia

urnio, plutnio, trio

b) ESTRUTURAS so todos os materiais utilizados como estrutura e revestimento dos diversos componentes do reator

zircaloy, ao, inox, ligas de nquel

c) MODERADORES tem a funo de moderar a energia dos neutrons produzidos na fisso e tambm servem como refletores na periferia do ncleo do reator de forma a minimizara fuga de neutrons do ncleo

grafite, gua leve, gua pesada, berlio

d) ABSORVEDORES (controlador)

tem a funo de manter de forma controlada a reao em cadeia dentro do ncleo

boro, cdmio, hafnio, ndio, prata, gadolneo

e) REFRIGERANTES tem a funo de retirar o calor gerado no ncleo do reator devido s fisses nucleares

hlio, CO2, gua leve, gua pesada, metais lquidos (NaK, Na)

f) BLINDAGEM

tem a funo de servir de barreira para a radiao (blindar) de forma a atenuar os efeitos desta sobre componentes estruturais ou o meio exterior ao reator

gua leve , elementos de mdio e alto nmero atmico (Pb, Fe, etc.)

a) Combustvel Nuclear

Os materiais combustveis so divididos em materiais fsseis e frteis.

i. Fsseis: Urnio 233 Urnio 235 Plutnio 239

ii. Frteis Urnio 238 Trio 232

O combustvel nuclear bsico (fssil) o U-235. A composio isotpica do Urnio natural mostrada na Tabela 2.3.

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TABELA 2.3 - Composio isotpica do Urnio Natural

N DE MASSA COMPOSIO ISOTPICA

(%)

MASSA ISOTPICA

(U.M.A.)

VIDA MDIA (anos)

234

235

238

0.0058

0.720

99.275

234.0409

235.0439

238.0508

2.60x105

8.50x108

4.51x109

U-233 e Pu-239 so combustveis fsseis sintticos ou artificiais, ou seja, so produzidos por captura neutrnica nos materiais frteis Th-232 e U-238.

92238

0 92239U n UI+ +

92239 23

93239U Npm +

93239 23

94239Np Pud. +

90232 1

90233Th n Th+ +

90233 23

91233Th Pam +

91233 27 6

92233Pa Ud. +

O istopo U-235 pode ser concentrado por um processo de difuso gasosa ou centrifugao para produzir um combustvel de baixo enriquecimento (em U-235) para reatores a gua leve ou combustvel de alto enriquecimento para reatores de pesquisa (MTR). O 239Pu (freqentemente misturado com Pu-240, Pu-241 devido a irradiao contnua) obtido pelo reprocessamento de combustvel irradiado e utilizado como combustvel em reatores rpidos (ou regeneradores).

Urnio natural pode ser usado como combustvel em reatores refrigerados a gs e reatores moderados a gua pesada com baixa densidade de potncia.

b) Estruturas Os materiais estruturais propiciam uma barreira fsica (para proteo do combustvel), resistncia mecnica e suporte estrutural para os componentes do reator. Os componentes principais so: revestimento de combustveis e estruturas associadas, vaso de presso, estruturas suportes do ncleo, suportes e guias de barras de controle, etc. As propriedades principais que devam possuir os materiais so:

baixa seo de choque de absoro de nutrons alta resistncia mecnica e ductilidade alta estabilidade trmica

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alta estabilidade irradiao baixa radioatividade induzida boas propriedades de transferncia de calor alta resistncia corroso

Os principais materiais utilizados so:

ligas de Zr, Al, Mg, Be ao carbono, ao inox ligas de Ni materiais refratrios (Mo, Ti, Ta, W) materiais cermicos (BeO, AlO3, MgO, SiO2) grafite, concreto protendido, etc.

A seleo dos materiais para cada componente estrutural depende do tipo e aplicao do reator.

c) Moderador/Refletor O moderador usado, em um reator trmico, para moderar a energia dos nutrons (diminuir velocidade) rpidos produzidos na fisso para nveis de energia trmica.

Refletores radiais e axiais podem retornar ao ncleo nutrons espalhados ou em fuga para fora do ncleo, tanto em reatores trmicos como rpidos.

Os requisitos nucleares para moderadores e refletores so os mesmos em um reator trmico.

alta seo de choque de espalhamento alta energia perdida pelo nutron por coliso baixa seo de choque de absoro

Os principais materiais empregados so:

D2O, H2O H2, C (grafite) Be, BeO

d) Absorvedores O controle do reator pode ser alcanado atravs dos seguintes parmetros:

taxa de gerao de nutrons taxa de perda de nutrons por fuga taxa de perda de nutrons por absoro parasitria no ncleo

Durante a operao do reator quatro fatores importantes devem ser considerados pelos absorvedores:

decrscimo da reatividade com a queima do combustvel produo de material fssil com a irradiao neutrnica produo de produtos de fisso altamente absorvedores queima gradual do material absorvedor (transmutao nuclear)

Dentro do reator so utilizados absorvedores de vrias formas distintas: elementos de controle/segurana, veneno queimvel e soluo homognea de absorvedor.

Os principais requisitos dos materiais absorvedores so:

alta seo de choque de absoro

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resistncia mecnica adequada (quando exigido) alta estabilidade trmica alta estabilidade irradiao boas caractersticas de transferncia de calor alta resistncia corroso

Os principais materiais utilizados so:

Boro (B), Carbeto de boro (B4C) Prata (Ag), ndio (In), Cdmio (Cd) Hfnio (Hf) Terras raras e seus compostos

Eurpio (Eu), Gadolnio (Gd), Samrio (Sm), rbio (Er), Gd2O3, Eu2O3, Er2O3

Elementos que tem uma alta seo de choque de absoro para nutrons trmicos so o Cdmio, Boro-10, Hfnio e os elementos das terras raras. A maior aplicao, em reatores de potncia, para elementos de controle so: o B4C tanto em forma de p compactado como em pastilhas sinterizadas; e a liga de Ag-In-Cd (80% Ag, 15% In, 5% Cd). Em reatores PWR utilizado cido brico (H3BO3) diludo no refrigerante a fim de controlar a reatividade do reator. Boro sob forma de silicatos ou aluminatos utilizado como veneno queimvel. xidos de terras raras so misturados ao combustvel (Gd2O3-UO2) para funcionarem como veneno queimvel.

e) Refrigerantes O objetivo bsico do refrigerante remover e utilizar o calor gerado no reator. Para isso o material utilizado deve ter boas propriedades de transferncia de calor. Alm disso deve ter densidade que minimize a fora de bombeamento, bem como ter um baixo ponto de fuso que eliminaria a possibilidade de solidificao e um alto ponto de ebulio para minimizar a presso do vapor e maximizar a temperatura de trabalho e eficincia trmica da planta de potncia.

De uma forma geral os requisitos principais para os materiais para refrigerante so:

boas propriedades de transferncia de calor baixo ponto de fuso alto ponto de ebulio baixa densidade e potncia de bombeamento baixa seo de choque de absoro baixa radioatividade induzida alta estabilidade trmica e de irradiao baixa ao corrosiva facilidade e segurana de manuseio

Os principais materiais utilizados como refrigerantes so:

gases: He, CO2, vapor dgua lquidos: H2O, D2O metais lquidos: Na, NaK

f) Blindagem

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Os materiais de blindagem usados nos reatores nucleares podem ser divididos em trs grupos de acordo com suas funes:

i. elementos pesados ou moderadamente pesados para atenuar a radiao gama e frear nutrons rpidos com energias acima de 1 MeV por espalhamento inelstico.

ii. compostos e elementos de peso mdio para espalhar e moderar nutrons com energia abaixo de 1 MeV por espalhamento elstico.

iii. elementos leves, substncias hidrogenadas e boro para moderar nutrons rpidos e moderar/capturar nutrons sem produzir raios gama secundrios.

Os requisitos principais dos materiais para blindagem so:

moderar a energia de nutrons rpidos absorver nutrons trmicos e epitrmicos atenuar a radiao gama primria produzir de maneira reduzida radiao secundria

Os principais materiais so:

Elementos Leves e Compostos (B, B2O3, H2O) Elementos Mdios e Compostos (Fe, Minrio de ferro, concreto) Elementos Pesados (Pb, Bi, W)

Define-se ncleo de um reator o conjunto de todos os materiais, componentes e estruturas onde gerada a reao em cadeia da fisso nuclear dentro do reator.

O ncleo do reator poder ser constitudo de uma gama grande de formas e composio. A condio para se obter criticalidade que exista uma relao entre geometria e materiais do ncleo. A criticalidade pode ser acompanhada pelo equilbrio das geraes sucessivas de nutrons dentro do ncleo e traduzida pela relao produo de nutrons/(absoro + fugas) de nutrons. Se a relao for igual a unidade atinge-se criticalidade.

Definido o tipo de reator e sua finalidade procura-se ento uma combinao de materiais fsseis/frteis, moderadores, refletores, refrigerantes, e de controle que faam com que o reator funcione como desejado.

3 COMBUSTVEIS NUCLEARES

As funes bsicas do combustvel no reator nuclear so:

gerar as fisses nucleares transferir a energia gerada na fisso nuclear para o refrigerante reter os produtos de fisso

As principais caractersticas requeridas so:

compatibilidade entre os materiais combustveis, de ligao, de revestimento, e refrigerante/moderador

estabilidade (ou integridade) mecnica, trmica e irradiao boa resistncia a corroso e corroso sob tenso resistncia fadiga

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facilidade de fabricao (materiais/componentes/montagens) facilidade de reprocessamento boa economia de nutrons longo tempo de operao no reator e alta queima (consumo de

Urnio/Plutnio) baixo custo

Os combustveis nucleares so formados dos elementos fsseis e frteis (U, Th, Pu) sob diversas formas de compostos e de materiais estruturais que servem de elementos de ligao, revestimento e estrutura. A caracterstica do combustvel est associada s necessidades neutrnicas e trmicas e depende da compatibilidade do teor do material fssil/frtil com o processo de fabricao e tambm do seu desempenho sob irradiao. Pode-se ter, por exemplo, combustveis com alto ou baixo enriquecimento de Urnio-235. Em realidade o que se procura uma relao de materiais fssil/frtil/estrutural que atendam as caractersticas neutrnicas necessrias mas tambm atendam ao fator tecnolgico de fabricao e que tenha o desempenho adequado sob irradiao e condies de temperatura no reator. De uma maneira geral se procura associar o Urnio (Trio ou Plutnio) materiais de baixa seo de choque de absoro de forma a se trabalhar com a relao teor de urnio/concentrao isotpica de U-235 adequada pelos fatores anteriormente mencionados. A Tabela 3.1 mostra uma relao de compostos de Urnio utilizados como combustvel nuclear, verificando-se a relao do teor de Urnio nestes compostos, e a Tabela 3.2 a relao entre absoro e produo de nutrons para alguns desses compostos.

TABELA 3.1 - Compostos de Urnio

COMPOSTO MASSA

ESPECFICA (g/cm3)

% DE URNIO (em peso)

MASSA ESPECFICA DO URNIO NO

COMPOSTO (g/cm3)

TEMPERATURA LIMITE

(C)

U U2Fe U3Si UN UC U2C3 U3Si2 UC2 UO2 U3O8 UAl2 UZr2 UAl3 UAl4

18.9 17.7 15.6 14.3 13.6 12.9 12.2 11.7

10.96 8.4 8.1

10.3 6.7 6.0

100 96.1 96.2 94.4 95.2 93.0 92.4 90.8 88.2 84.8 82.0 56.9 74.0 68.8

18.9 17.0 15.0 13.5 12.9 12.0 11.3 10.6 9.7 7.1 6.6 5.7 4.9 4.1

1170 815 930

2650 2350 1775 1650 2500 2780 2500 1580

600 1350

730

TABELA 3.2 - Algumas propriedades nucleares de compostos de Urnio

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COMPOSTO

SEO DE CHOQUE

MACROSCPICA

NMERO MDIO DE NEUTRONS EMITIDOS/NEUTRONS TRMICOS

ABSORVIDOS FISSO

(f) ABSORO

(a)

UO2 U3O8 UC U2C3 UC2 UN U3Si USi

0.102 0.065 0.137 0.127 0.112 0.143 0.159 0.098

0.185 0.120 0.252 0.233 0.207 0.327 0.293 0.184

1.34 1.34 1.34 1.34 1.34 1.08 1.33 1.32

Os principais materiais combustveis esto em forma de ligas metlicas, materiais cermicos e disperses.

As principais ligas metlicas utilizadas como combustvel nuclear so: Urnio Metlico, ligas de Urnio-Alumnio, ligas de Urnio-Zircnio, Urnio-Molibdnio, etc.

Os combustveis de ligas metlicas tem as seguintes vantagens: boa economia de nutrons, alta condutividade trmica, e boa fabricabilidade dentro de certos limites de teor de Urnio.

Urnio metlico apresenta um substancial inchamento sob irradiao (> 60% em combustveis altamente irradiados). Tambm altamente reativo quimicamente e tem compatibilidade a alta temperatura somente com alguns materiais refrigerantes (CO2 e He). usados em reatores plutongeros, a baixa temperatura, e utilizado inicialmente em reatores ingleses (reatores de potncia refrigerados a gs). Em ambos os tipos de reatores a queima limitada em um valor baixo para diminuir os danos da irradiao e produo dos istopos mais pesados de Plutnio.

Ligas de U-Al so utilizadas em larga escala em reatores de pesquisa (MTR). As temperaturas envolvidas nestes reatores (< 150C) permitem a utilizao destas ligas associadas a revestimentos de Alumnio. A temperaturas mais altas h reaes qumicas entre Urnio e Alumnio, bem como h uma acelerao do processo de corroso do revestimento. Normalmente so utilizados enriquecimentos de ordem de 40% a 93% de U-235 j que o teor de Urnio na liga limitado. Recentemente, com a limitao internacional de fornecimento de Urnio enriquecido (limitado a 20% de enriquecimento) estas ligas tem sido menos usadas mas demonstraram um alto desempenho sob irradiao.

Ligas de U-Zr tem aplicao em reatores de potncia. O Zircnio tem um alto ponto de fuso, baixa seo de choque de absoro, boa resistncia corroso e o Urnio pouco solvel nele. Ligas contendo 14% de U foram utilizadas demonstrando um bom desempenho sob irradiao. Neste tipo de combustvel no possvel ciclagens trmicas acima de 600C pois h mudana de fase acarretando mudanas geomtricas e estruturais. Ligas deste tipo so de bom desempenho para combustveis altamente enriquecidos j que provem meios de diluir o combustvel altamente enriquecido atravs de uma estrutura que tem uma rea adequada para transferir o calor gerado (reator de potncia).

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O aumento do desempenho de combustveis e da eficincia trmica de uma usina nuclear de potncia requer que tanto a temperatura do combustvel quanto a temperatura de operao da usina seja elevada ao mximo possvel (rendimento trmico maior quanto maior o (fonte quente e fria) e maior o Tmed). O aumento da temperatura de operao nos combustveis metlicos pode resultar em dois efeitos adversos:

a) fuso na parte central do combustvel devido ao baixo ponto de fuso das ligas utilizadas;

b) inchamento e taxa de creep excessivos devido a instabilidade sob irradiao a alta temperatura.

Materiais cermicos so slidos inorgnicos, materiais no metlicos que tem alto ponto de fuso. Nos cermicos a ligao interatmica predominantemente inica ou covalente. Os cermicos podem, portanto, ser processados ou operados a altas temperaturas podendo ser um combustvel apropriado para alto desempenho. As vantagens de se usar materiais cermicos em combustveis de reatores de potncia so:

a) maiores temperaturas permitidas para o combustvel devido ao alto ponto de fuso; b) boa estabilidade a irradiao (dimensional e estrutural) devido a ausncia de

transformaes de fase baixas temperaturas; c) alta resistncia a corroso e compatibilidade com o revestimento (zircaloy, ao

inox) e o refrigerante (gua, vapor) no reator.

Os principais materiais cermicos utilizados como combustvel nuclear so: UO2, UO2-PUO2, ThO2, UC, UN, U3Si, U3Si2.

As propriedades nucleares bsicas nos combustveis cermicos so:

a) alto nmero de tomos de Urnio por unidade de volume evitando a necessidade de alto enriquecimento do Urnio;

b) baixo nmero de massa e baixa seo de choque de absoro dos elementos no fsseis no composto.

Em reatores de potncia a gua leve (PWR, BWR) e gua pesada (PHWR, CANDU) utilizado combustvel de UO2.

O combustvel de UO2 mais comumente apresentado em forma de pastilhas cilndricas sinterizadas com densidade na faixa de 92 a 95% da densidade terica (Processo de fabricao: compactao do p de UO2 na forma de pastilhas e sinterizao posterior a ~ 1600C). A condutividade trmica do UO2 um pouco baixa e a alta potncia gerada no reator leva a existncia de altos gradientes trmicos na pastilha combustvel. Como conseqncia, so geradas tenses trmicas que causam rachaduras no material cermico, mas que no causam grandes problemas de desempenho pois o revestimento metlico retm o material combustvel. Altos nveis de potncia podem levar a fuso da parte central da pastilha, no entanto isto evitado em reatores trmicos pois pode gerar problemas de desempenho. As principais limitaes no desempenho do UO2 so o inchamento da pastilha causado por produtos de fisso (slidos e gasosos) e a liberao de produtos de fisso gasosos para o ambiente contido pelo revestimento, deteriorando a transferncia de calor do combustvel para o refrigerante.

Combustveis de UO2-PuO2 e ThO2 so utilizados em reatores rpidos (regeneradores).

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Combustveis de UC, UN e U3Si2 tem sido pesquisados como combustveis de alto desempenho sob irradiao com potencialidade de substituio do UO2 em reatores de potncia.

Cermets (disperses) so combinaes de misturas metal-cermico ou combinaes de metais com cermicas. As suas propriedades ficam entre as propriedades dos metais e as propriedades das cermicas que o constituem. A condutividade trmica de cermets, por exemplo, normalmente mais baixa que o metal, mas superior ao cermico que o compe. Alguns itens de comparao entre cermets e cermicos so:

cermets tem maior resistncia mecnica e ductilidade que cermicos; cermets tem maior resistncia a choque trmico que cermicos, embora sejam

ainda relativamente frgeis; cermets tem as propriedades combinadas de metais e cermicos; ambos tem uma alta resistncia a irradiao e corroso; ambos so relativamente estveis a altas temperaturas

Os combustveis nucleares constitudos de disperses podem oferecer vantagens sobre os combustveis de ligas metlicas tais como:

a) aumento da vida til de operao do combustvel no reator, pois os danos dos produtos de fisso ficam localizados em uma zona imediatamente adjacente da fase dispersa (contendo elemento fssil) minimizando os danos da matriz metlica e minimizando o inchamento;

b) a seleo dos materiais pode ser estendida de modo a permitir o uso de materiais combustveis cermicos diludos em materiais metlicos conseguindo-se propriedades fsicas, trmicas e mecnicas que no seriam alcanadas com o material combustvel bsico.

Os combustveis nucleares de disperses so constitudos, normalmente, de materiais combustveis cermicos (UO2, U3O8, UC, PUO2, U3Si2, etc.) dispersos numa matriz contnua de um material estrutural no fssil (Al, zircaloy, ao inox, grafite). A fim de minimizar os danos da irradiao e prover resistncia mecnica e ductilidade, o diluente (material estrutural) deve predominar no volume de forma a se constituir numa matriz contnua envolvendo a fase fssil, e se constituir no material estrutural do combustvel. Para se alcanar os objetivos desejados de desempenho num combustvel de disperso os seguintes itens devem ser observados:

a) o tamanho das partculas dispersas (fssil) deve ser grande comparado ao percurso mdio de um fragmento de fisso;

b) a distribuio das partculas dispersas na matriz do metal deve ser o mais uniforme possvel;

c) a densidade do material da fase dispersa (fssil) deve ser alta;

d) a fase contnua da matriz de metal deve ter o mximo de volume possvel na disperso. Com uma seleo apropriada do tamanho da partcula dispersa, distribuio uniforme das partculas, alta densidade do material fssil, e mximo volume possvel da fase de matriz contnua pode-se minimizar os danos de irradiao no combustvel. As disperses podem, no entanto, ter dificuldades de manter a uniformidade de propriedades fsicas, mecnicas e trmicas durante irradiao no reator, particularmente a resistncia mecnica, ductilidade, resistncia corroso e estabilidade sob irradiao. Os principais combustveis com disperses utilizados so:

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UO2 disperso em ao inox ou zircaloy (U, Th) C2 ou UO2 em matriz de grafite U3O8, U3Si2, U3Si disperso em matriz de Alumnio

UO2 disperso em ao inox ou zircaloy tem aplicao em reatores de potncia refrigerados a gua.

As disperses de carbetos e xidos de Urnio e Trio em grafite so utilizadas em reatores de alta temperatura refrigerados a gs.

Como o Alumnio possui baixa seo de choque de absoro mas possui restries em relao faixa de temperatura que pode ser utilizado (baixo ponto de fuso 650C) ele utilizado principalmente em combustveis de reatores de pesquisa (MTR) onde podem ser obtidos altos fluxos de nutrons a relativamente baixas temperaturas (< 150C). A utilizao de disperses de materiais de alta densidade em Urnio (U3O8, U3Si2, U3Si, U6Fe) em matriz de Alumnio foi a soluo encontrada para substituir os combustveis de alto enriquecimento dos reatores MTR (ligas de U-Al). Como mencionado anteriormente, por imposies internacionais, ficou limitado o fornecimento de Urnio a 20% de enriquecimento de U-235. A substituio de ligas de U-Al de alto enriquecimento (93%) foi alcanada atravs de combustveis com estas disperses de materiais de alta densidade de Urnio, o que torna possvel utilizar enriquecimento inferior a 20%.

Define-se Elemento Combustvel como o componente do ncleo do reator que contm de forma apropriada o material combustvel e os materiais estruturais. O ncleo do reator contm um conjunto de elementos combustveis.

Cada tipo de reator possui um tipo apropriado de material combustvel e uma forma apropriada de elemento combustvel que contm este material. Dentre as diversas formas utilizadas, as principais so elementos combustveis tipo placa e elementos combustveis com varetas cilndricas.

Os elementos combustveis tipo placa so utilizados na maioria dos reatores de pesquisa e em alguns reatores de potncia refrigerados e moderados a gua leve. Os elementos combustveis com varetas cilndricas so utilizados basicamente nos reatores de potncia.

A diferena bsica entre os dois tipos reside na relao de densidade de potncia/rea de transferncia de calor, processos de fabricao, e autonomia/desempenho em irradiao.

3.1 Elementos combustveis tipo placa para reatores MTR

Os elementos combustveis tipo placa tm basicamente os seguintes componentes: placa combustvel, placas suportes laterais, bocal de extremidade (inferior), extremidade suporte de manuseio (superior).

As Figuras 1 e 2 exemplificam dois tipos distintos de elementos combustveis tipo placa para um reator MTR. Estes elementos combustveis so constitudos basicamente de placas combustveis colocadas paralelamente e suportadas pelas placas laterais (sem material fssil) e o bocal inferior. A extremidade suporte superior serve para manuseio do elemento. Alguns elementos possuem uma espcie de pente nas extremidades que alinham o espaamento central das placas combustveis. As dimenses de cada placa combustvel, a quantidade de placas e o espaamento entre placas so ditados pelo projeto neutrnico/termo-hidrulico tendo viabilidade comprovada pelos aspectos de processo de fabricao e

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desempenho sob irradiao. A configurao do ncleo do reator depende de sua aplicao e caractersticas, ou seja o nmero de elementos combustveis e sua disposio depende das caractersticas do reator. A Figura 5 exemplifica a disposio de elementos combustveis em reatores tipo MTR. Normalmente estes elementos so suportados apenas por uma placa matriz na qual esto apoiados.

As placas combustveis contm o material fssil. Elas so constitudas do miolo contendo o material fssil e um revestimento metlico. O miolo pode ser formado de ligas de U, disperses com U, ou plaquetas cermicas de UO2. Os revestimentos mais utilizados so ligas de Alumnio, ligas de Zircnio e Ao inox. Ligas de Alumnio so usadas quando o miolo constitudo de ligas de U-Al ou disperses em matriz de alumnio. Zircaloy utilizado como revestimento quando o miolo constitudo de plaquetas de UO2, ligas de U-Zr ou disperses com matriz de Zircnio. Ao inox utilizado como revestimento em placas combustveis com disperses de UO2 em ao inox.

Por questes de estabilidade mecnica, as placas podem ser planas ou curvas (em reatores MTR de alto fluxo neutrnico com alta vazo de gua atravs do ncleo do reator).

Os processos de fabricao mais utilizados para a obteno das placas combustveis so: o de moldura (picture frame) onde a liga de U ou disperso sanduichada pelo material de revestimento e feita a laminao para as dimenses desejadas; e o processo de colingotamento onde o material de revestimento fundido sobre o miolo contendo o material fssil e feita laminao posterior para as dimenses desejadas (Figuras 3 e 4). No caso de plaquetas de UO2 (caramel - patente francesa) a fabricao da placa feita atravs de soldagem das placas de revestimento j na sua configurao final (Figura 2).

3.2 Elementos combustveis com varetas cilndricas

Os Elementos Combustveis (E.C.) com varetas cilndricas so utilizados, principalmente, nos reatores de potncia trmicos e em alguns reatores regeneradores. Normalmente o material combustvel utilizado cermico (UO2, ThO2, PUO2, etc.) na forma de pastilhas cilndricas encapsuladas com tubos metlicos. Cada E.C. possui componentes que servem de estrutura a fim de manter o espaamento das varetas combustveis dando rigidez ao conjunto bem como provendo guias para elementos de controle do reator. Para cada tipo de reator (PWR, BWR, PHWR, CANDU, etc.) existe uma forma apropriada para os E.C. Vrias formas vieram sendo utilizadas ao longo dos ltimos trinta anos verificando-se uma evoluo crescente at as formas atualmente utilizadas. Ser descrito aqui neste item apenas o E.C. tpico (atual) de um reator PWR que a linha adotada pelo Brasil nas usinas nucleares Angra I (Westinghouse) e Angra II (KWU).

Para entender melhor como constitudo o E.C. conveniente discretizar mais detalhadamente quais seriam seus requisitos funcionais pois seu detalhamento espelha estes requisitos. De uma forma geral o E.C. de PWR, como qualquer outro E.C., possui uma geometria, caractersticas de materiais e caractersticas mecnicas que atendam ao projeto neutrnico/termo-hidrulico/desempenho do combustvel e deve atender aos seguintes requisitos funcionais bsicos:

manter uma geometria no combustvel e um posicionamento axial e radial aceitveis, isto , deve permitir a fixao do E.C. no ncleo e das varetas no E.C.;

permitir um fluxo de refrigerante e uma transferncia de calor aceitveis; manter uma barreira de separao entre o combustvel (e os produtos de fisso

gerados durante a irradiao) e a gua de refrigerao;

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FIGURA 1 - Elemento Combustvel tipo placa de reator tipo MTR

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FIGURA 2 - Elemento Combustvel tipo placa de reator tipo MTR

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FIGURA 3 - Esquema de montagem e dimenses de placa combustvel

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FIGURA 4 - Exemplos de Sees de placas combustveis

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FIGURA 5 - Exemplo de arranjos de ncleos de reatores tipo MTR

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permitir expanses radiais e axiais das varetas e tambm do E.C. como um todo em relao aos internos do reator;

permitir suporte prprio, ou seja, ter sustentao prpria quando necessrio e ter uma resistncia bem definida s distores ocasionadas por cargas laterais e axiais;

resistir ao de foras devido ao escoamento do fludo, ou seja, deve acomodar os efeitos de vibrao, atrito, levantamento, pulsos de presso e instabilidade de escoamento;.

permitir o controle do processo de fisso, isto , dar guia para os elementos de controle, permitir o posicionamento de varetas de veneno queimvel, acomodar efeitos de fluxo de nutrons, temperatura, gradientes e transientes de presso, atrito, amortecimento e impactos associados com a movimentao de elementos de controle;

permitir o posicionamento da instrumentao interna do ncleo e outros componentes quando associados ao E.C.. Isto inclui veneno queimvel, fontes de nutrons, tampes de vedao e instrumentao de monitorao;

acomodar efeitos qumicos, trmicos, mecnicos e de irradiao sobre os materiais. Exemplos so: corroso sob tenso, hidretao, fragilizao por hidrognio, densificao, creep, etc.;

permitir manuseio, transporte e carregamento no ncleo, isto , ter detalhes construtivos para iamento, pontos de contato, molas de fixao ou outros detalhes necessrios, incluindo previso de carregamento e compatibilidade com equipamentos de interface;

todos os E.C. dentro do ncleo devem ser compatveis entre si. As Figuras 6, 7 e 8 exemplificam um reator PWR, do tipo que utilizado em Angra I

(Westinghouse). A Figura 6 mostra os principais componentes do reator com o posicionamento dos E.C. para um ncleo com 193 E.C. (Angra I tem 121 E.C. como na Figura 6) e o posicionamento com arranjo de 17 x 17 varetas combustveis (Angra I tem arranjo de 16 x 16 varetas). A Figura 8 mostra o caminho do refrigerante ao longo do reator.

O E.C. de reator PWR se constitui num arranjo de varetas combustveis (14 x 14, 15 x 15, 16 x 16, 17 x 17, 18 x 18) com espaamento definido. Os principais componentes dos E.C. so:

vareta combustvel; Tubo guia da vareta de controle; grades espaadoras; bocais de extremidade mola de fixao do E.C.

As Figuras 9 a 12 exemplificam detalhes dos E.C. de um PWR.

A vareta combustvel contm de forma isolada o material fssil. Ela constituda dos seguintes itens: pastilhas combustveis, pastilha isolante, mola de fixao da coluna de pastilha, tubo metlico de revestimento e tampes de extremidade (Figura 11).

A pastilha combustvel contm o material fssil e feita de UO2 sinterizada. Normalmente o enriquecimento em U-235 da ordem de 2 a 4%. A densidade da pastilha em torno de 93 a 95% da densidade terica do UO2. A forma da pastilha cilndrica com cavidades nas extremidades e chanfros nas bordas. Esta forma feita a fim de minimizar as expanses trmicas axiais e radiais das extremidades da pastilha de forma a melhorar o desempenho da vareta durante irradiao (evitar alta deformao axial da coluna de pastilhas e evitar contato rgido pastilha-revestimento na interface entre pastilhas) j que o gradiente trmico radial na pastilha muito acentuado.

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Para manter a coluna de pastilhas unidas dentro da vareta combustvel (principalmente durante manuseio e transporte do E.C.) e criar espaos vazios para acomodar os gases de fisso produzidos durante irradiao, colocada uma mola na parte superior da vareta. Esta mola acomoda tambm as expanses diferenciais entre a coluna de pastilha e o revestimento evitando altas tenses. Entre a mola e a coluna de pastilhas combustveis colocada uma pastilha isolante de Al2O3 (alumina) de forma a diminuir o fluxo de calor da pastilha combustvel para a regio da mola (plenum) bem como evitar reaes entre a pastilha e a mola j que as temperaturas na regio central da pastilha podem ser altas (acima de 600C). Da mesma forma, na extremidade inferior da coluna de pastilhas combustveis colocada uma ou mais pastilhas isolantes para se evitar o contato da parte central da pastilha combustvel com o tampo de extremidade bem como poder servir de posicionamento axial para a coluna de pastilhas. Alguns fabricantes (KWU) utilizam um tubo interno na parte inferior da vareta para posicionamento da coluna de pastilhas combustveis e que serve tambm para prover mais espao para acomodar gases de fisso.

O tubo metlico de revestimento bem como os tampes de extremidades servem para manter estanques as pastilhas combustveis bem como os produtos de fisso gasosos produzidos na pastilha combustvel durante irradiao. Os tampes so soldados ao tubo de revestimento. Qualquer ruptura do tubo, durante a operao no reator, leva a liberao de produtos de fisso radioativos para o refrigerante. O material normalmente utilizado para o tubo de revestimento uma liga de zircnio (zircaloy-4) que possui boas caractersticas mecnicas e resistncia corroso e possui baixa seo de choque de absoro. Tambm utilizado ao inox austentico que, no entanto, possui alta seo de choque de absoro comparado ao zircaloy.

As varetas combustveis so preenchidas internamente com gs hlio de forma a melhorar a transferncia de calor das pastilhas para o revestimento (e deste para o refrigerante) j que existe uma folga entre a pastilha combustvel e o revestimento. Esta folga serve para acomodar as expanses diferenciais entre pastilha e revestimento ao longo de irradiao.

O espaamento entre varetas combustveis no arranjo do E.C. definido pelo projeto neutrnico (relao U/H2O) e por questes de transferncia de calor (rea de transferncia de calor/volume de gua). O nmero de varetas combustveis no arranjo do E.C. depende da relao entre a potncia global do reator e a densidade linear de potncia desejada para cada vareta. As dimenses das varetas so definidas por questes de desempenho sob irradiao alm do aspecto neutrnico/termo-hidrulico referido anteriormente.

Algumas posies do arranjo de varetas do E.C. so ocupadas por tubos que servem de guia para as varetas absorvedoras que adentram o E.C. de forma a controlar a reao em cadeia no ncleo do reator. Estes tubos so abertos na extremidade superior permitindo a penetrao da vareta absorvedora e sua movimentao de insero e retirada no E.C.. Na parte inferior possuem alguns furos que permitem o escoamento do refrigerante por dentro do tubo e existe um estreitamento do tubo na parte inferior que juntamente com os outros furos faz um efeito de amortecimento hidrulico (dashpot) da queda do Elemento de Controle dentro do E.C. numa situao de desligamento rpido do reator. O material normalmente utilizado para este tubo zircaloy 4 ou ao inox austentico.

A posio central do arranjo de varetas no E.C. pode ser ocupado por um tubo que serve de guia para instrumentaes internas do ncleo. So utilizados detetores de nutrons para medida de fluxo e termopares para medir temperatura. O detalhe desses tubos guias de instrumentao depende da concepo da prpria instrumentao. Por exemplo em Angra I os

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detetores in core entram pela parte inferior do vaso do reator sendo guiados at o tubo guia de instrumentao do E.C. (Figura 6).

As grades espaadoras tem a funo de manter a posio das varetas combustveis dentro do arranjo do E.C.. Elas so elementos estruturais bem rgidos, montadas numa forma reticular por tiras metlicas entrelaadas (Figura 12). Nas posies de fixao das varetas combustveis existe um sistema mola-batente estampado nas tiras. Este sistema permite a fixao da vareta no plano da grade mas possibilita o deslizamento da vareta no sentido perpendicular grade. Este modo de fixao ir permitir expanses axiais diferenciais entre varetas combustveis sem causar tenses excessivas. As grades possuem tambm aletas defletoras para prover maior agitao na gua de refrigerao que passa ao longo do E.C. Isto melhora a transferncia de calor das varetas combustveis para o refrigerante. Como material das tiras da grade normalmente utilizado o Inconel 718 que por ser uma liga de nquel possui alta resistncia corroso e por ser endurecido por precipitao possui alta resistncia mecnica. Recentemente esto sendo utilizadas tiras de zircaloy (com tratamento especial para aumentar a resistncia mecnica) mas mantendo as molas de fixao da vareta de Inconel (mola de Inconel fixa tira de zircaloy).

Os bocais de extremidade do E.C. servem de orientadores do fluxo de gua para os canais de refrigerao entre as varetas combustveis e tambm como peas estruturais de ligao do E.C. com as estruturas do reator. So feitas de ao inox austentico e cada fabricante possui uma forma geomtrica distinta que depende basicamente de facilidade de fabricao e de detalhamento hidrulico do reator.

O E.C. possui como estrutura principal o que denominado de esqueleto. O esqueleto formado pela juno rgida dos tubos guias da vareta de controle s grades espaadoras e aos bocais de extremidade. Esta estrutura serve de suporte para as varetas e d uma rigidez de conjunto ao E.C. As varetas combustveis so apenas fixadas pelas grades espaadoras atravs do sistema mola-batente. As duas extremidades das varetas combustveis so livres para expandir axialmente existindo um espao livre entre as extremidades das varetas e os bocais do E.C. A expanso diferencial entre varetas combustveis ou entre varetas e os tubos guias d-se pelos gradientes trmicos existentes (devido a gerao de potncia diferenciada entre varetas combustveis e potncia prxima de zero no tubo guia) e ao crescimento axial de tubos de zircaloy dependentes da fluncia neutrnica (diferenciado tambm entre varetas e tubos guias).

O E.C. fixado placa inferior e superior do ncleo apenas por apoio de compresso, existindo uma mola de fixao no bocal superior para permitir expanses diferenciais entre o E.C. e os internos do reator. Neste modo de fixao suposto que cada E.C. no interfira com os E.C. adjacentes, sendo cada E.C. ligado exclusivamente s placas suportes do ncleo.

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FIGURA 6 - Reator PWR (Pressurized Water Reactor)

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FIGURA 7 - Arranjo dos Elementos Combustveis no Reator e arranjo das varetas

combustveis no Elemento Combustvel

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FIGURA 8 - Caminho do refrigerante no reator

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FIGURA 9 - Componentes de um Elemento Combustvel

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FIGURA 10 - Elemento Combustvel

FIGURA 11 - Vareta Combustvel

FIGURA 12 - Componentes do Elemento Combustvel

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TABELA 3.3 - Caractersticas do Elemento Combustvel de Angra II(KWU)

CORE DESIGN

Thermal power of the reactor core Percentage power generated in fuel rods Number of fuel assemblies in the core Number of active fuel rods Equivalent core diameter (20C) Active core length (20C) (length of cold UO2-column) Total uranium weigth in first core H2O/UO2 volume ratio (20C)

3,765 MW 97.4 % 193 45548 3.605 mm 3,900 mm 103,062 Kg U 2.06

THERMAL-HYDRAULIC CORE DESIGN COOLANT DATA

Total coolant flow rate Coolant flow rate in core Total flow corss-section in all fuel assemblies (cold) Mean coolant flow velocity Mean mass flow per unit area Reactor pressure vessel inlet coolant temperature Mean temperature rise in reactor pressure vessel Nominal system pressure Maximal thermal overpower Hot channel outlet temperature, max. (for pa = 158 bar and 1,12 x 1979 MW)

18,800 kg/s 17,672 kg/s 5.597 m2 4.472 m/s 3,158 kg/m2s 291.3C 34.8C 158 bar 12 % 346.3C

FUEL ROD DATA

Fuel rod heat transfer area, total (hot) Mean heat flux density Mean power per cm of active fuel rod length Mean power per liter of reactor core Mean power per kg uranium

6,040.6 m2 61.1 W/cm2 207.9 W/cm 93,0 kW/l 36,6 kW/kg

FUEL ASSEMBLY

Rod array Number of fuel rods per assembly Number of guide thimbles Cross-section Fuel rod pitch Fuel Assembly length Number of spacers per fuel assembly Weigth of uranium per fuel assembly Total weigth of assembly

16 x 16 - 20 236 20 229,6 x 229,6 mm 14,3 mm 4,835 mm 9 approx. 534 kg approx. 832 kg

FUEL ROD

Clad material Clad outside diameter Clad wall thickness Filler gas composition Filler gas pressure Fuel rod length

Zircaloy-4 10.75 mm 0.725 mm 96 % He + 4 % Ar 22.5 bar 4,407 mm

FUEL

Form Pellet length Pellet diameter Mean density of the uranium pellet Volumetric dishing fraction

cyl. pellets with dishing on both ends 11 mm 9.11 mm 10.35 g/cm3 2.2 %

CONTROL ROD GUIDE THIMBLE

Material Outside diameter Wall thickness

X10CrNiTi 18 9 13.72 mm 0.47 mm

SPACER GRID

Material Heigth Sheet (Plate) thickness

Inconel 718 38 mm 0.42 mm

ISOLATION PELLET

Material Heigth Diameter

Al2O3 8 mm 9.15 mm

FUEL ROD SPRING

Material

X7CrNiAl 17 7 or X7CrNiAl 15 7

END PIECES

Material Heigth: upper end piece lower end piece Diameter of coolant holes

X10CrNiTi 18 9 210 mm 182 mm 10.5 mm

CONTROL ASSEMBLY

Number of full length control assemblies (black) Total length without drive rod Section (middle of outer row of rods) Spider material Number of control rods per control assembly Length of control rods Clad tube materials Outer diameter of control rod Wall thickness of the clad tube Absorber material Diameter of absorber rod Length of absorber rod Plug material Plug diameter

61 approx. 4,625 mm 157.3 x 157.3 mm X10CrNiNb 18 9 20 approx. 4,550 mm X10CrNiMoTi 18 10 10.2 mm 0.62 mm Ag15In5Cd 8.9 mm 3,530 mm X10CrNiMoTi 18 10 10.2 mm

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4 ELEMENTOS DE CONTROLE

Os materiais absorvedores so utilizados para controlar o reator, homogeneizar a distribuio de potncia no ncleo e compensar o excesso de reatividade do ncleo ao longo da queima. A funo exercida pelo absorvedor pode ser classificada em: controle, segurana e veneno queimvel.

A funo de controle tem como objetivo, como o prprio nome indica, controlar o reator em termos de modificar a reatividade do ncleo atravs da insero e retirada do material absorvedor de forma a mudar os nveis de fluxo de nutrons (potncia) de acordo com o necessrio e desejado. Serve tambm para modificar distribuio de potncia no ncleo do reator e para compensar o excesso de reatividade do ncleo (materiais fsseis) ao longo da queima. Os materiais absorvedores para esta funo podem estar em componentes mecnicos do reator que so denominados Elementos de Controle (tambm denominados Barras de Controle) ou estar diludos de forma homognea no refrigerante/moderador.

A funo de segurana diz respeito a necessidade de se ter reatividade negativa disponvel para desligar o reator em qualquer situao de operao do reator (normal ou acidentes). Aps a insero desses materiais absorvedores no ncleo do reator (com reator crtico eles esto fora do ncleo), este deve ficar subcrtico com uma margem de reatividade negativa estabelecida por critrios neutrnicos (normas). Os materiais para esta funo podem ser fisicamente idnticos aos de controle, ou seja, podem estar em componentes mecnicos do reator que so denominados Elementos de Segurana (tambm denominados Barras de Segurana) e podem estar em forma lquida para serem diludos no refrigerante/moderador.

A funo do veneno queimvel tem como objetivo prover um excesso de reatividade negativa ao ncleo para compensar a reatividade positiva do material fssil. Ao longo da irradiao, com a queima do material fssil, o material absorvedor deve ser tambm queimado (ou seja h uma transmutao do nucldeo ao absorvedor de nutron), de forma que haja uma compensao de reatividade positiva e negativa. O veneno queimvel tambm utilizado para homogeneizar a distribuio de potncia do ncleo. Os materiais absorvedores para esta funo podem estar em componentes definidos como Veneno Queimvel ou podem estar diludos no prprio material combustvel.

Os materiais absorvedores mais utilizados so Boro, Cdmio, Hfnio, ndio, Prata, Terras Raras. As propriedades nucleares dos nucldeos desses absorvedores esto anotados na Tabela 4.1.

Os materiais so empregados na forma de ligas metlicas, compostos na forma de p compactado, pastilhas sinterizadas, disperses metlicas, disperses em combustveis e em soluo lquida. So anotados a seguir os principais materiais utilizados.

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TABELA 4.1 - Propriedades nucleares de Absorvedores

MATERIAL

ABUNDNCIA ISOTPICA

SEO DE CHOQUE

DE ABSORO TRMICA

SEO DE CHOQUE

MACROSCPICA DE ABSORO

TRMICA

PRINCIPAIS RESSONNCIAS

(%)

a (barns)

a (cm-1)

ENERGIA DOS

NEUTRONS (eV)

SEO DE CHOQUE DE ABSORO EPITRMICA a (barns)

Boro (natural) Boro 10 Cdmio (natural)

Cdmio 113 Prata (natural)

Prata 107 Prata 109

ndio ndio 113 ndio 115

Samrio Samrio 149 Samrio 152 Sm2O3

Hfnio Hfnio 177 Hfnio 178 Hfnio 179 Hfnio 180

Eurpio Eurpio 151 Eurpio 153 Eu2O3

Erbio Gadolnio

Gadolnio 155 Gadolnio 157

20

12.3

51.3 48.7

4.2

95.8

13.8 26.6

18.4 27.1 13.8 35.4

47.8 52.2

14.7 15.7

759 3810 2450

20000 63 31 87

194 58

197 5800

11200 105 380

75 65 14

4300 7700

450

460 46000 61000

240000

97.23

113.60

3.69

7.44

163.0

143.0 47.3

89.0

5125 1401

0.18

16.6 5.1

1.46

0.096 8.2

2.38 7.80 5.69 74.0

0.46 2.46

2.6 17.0

7200

630 12500

30000

16000 15000

6000 10000 1100

130

11000 3000

1400 1000

i. Hfnio

Hfnio um dos melhores materiais absorvedores para elemento de controle em reatores trmicos. Ele achado na natureza em combinao com o Zircnio e o processo que produz Zircnio puro obtm Hfnio como subproduto. Ele quimicamente semelhante ao Zircnio e mostra a mesma resistncia corroso em alta temperatura com o Zircnio. utilizado Hf metlico ou em ligas Hf-In-Ag, Hf-Ag como material de elementos de controle/segurana. Como pode ser visto na Tabela 4.1, o Hfnio tem 4 istopos cada um dos quais possui alta seo de choque de absoro/trmica e epitrmica. A captura de nutrons pelos istopos menores leva a formao do prximo istopo com seo de choque de absoro tambm alta. Isto leva a que durante a transmutao por absoro neutrnica no

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diminua a efetividade de absoro do elemento de controle. As vantagens e desvantagens do Hf e suas ligas como elemento de controle/segurana so:

Vantagens: bom desempenho nos reatores navais americanos; boa resistncia a corroso podendo-se eliminar a necessidade de

revestimentos metlicos; boa estabilidade a irradiao com pouca degradao de propriedades at

uma fluncia de nutrons de 2 x 1022 n/cm2 (E>1 MeV); boa conformao mecnica usando tcnicas normais; probabilidade de longa vida no reator (efetividade de absoro); ausncia de produtos de transmutao gasosos

Desvantagens: alto custo; estrutura anisotrpica que pode resultar em variaes dimensionais

induzidas pela irradiao; poucos dados publicados em literatura sobre seu desempenho em reatores.

ii. Liga de Ag-In-Cd

Ao fazer uma liga contendo Cdmio, que tem uma alta seo de choque de absoro trmica, com ndio e Prata que tem alta absoro de ressonncia na faixa epitrmica de energia dos nutrons, produzido um material absorvedor altamente efetivo, que no caso de reatores moderados a gua pode aproximar-se efetividade do Hfnio. A liga normalmente utilizada 80% Ag, 15% In e 5% Cd e pode ser facilmente fabricada possuindo boa resistncia mecnicas nas temperaturas existentes em reatores. Esta liga possui resistncia mdia corroso por gua quente. Nas primeiras centrais nucleares PWR a liga foi usada diretamente em contato com a gua refrigerante contendo apenas uma camada superficial de nquel, mas devido s caractersticas de corroso apresentadas optou-se por sempre encapsular a liga com material metlico (ao inox) eliminando assim o contato direto com a gua. As vantagens e desvantagens desta liga so:

Vantagens: bom desempenho em muito reatores comerciais (PWR, BWR, etc.); baixa taxa de inchamento e boa integridade estrutural em funo da

irradiao; boa conformao mecnica e capacidade provada de fabricao; compatibilidade com revestimentos de ao inox e ligas de nquel; baixa susceptibilidade de interao mecnica com o revestimento; ausncia de produtos de transmutao gasosos.

Desvantagens: alto custo da Prata e ndio; efetividade de absoro no muito alta, que requer em certos reatores uma

maior movimentao dos Elementos de Controle ou maior nmero destes; baixa resistncia corroso em gua o que pode levar, caso haja uma

perfurao no revestimento metlico, contaminao do refrigerante com nucldeos, formados na transmutao, emissores de radiao gama de alta energia;

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alto custo de estocagem e reprocessamento devido aos nucldeos de longa vida mdia, emissores de radiao gama de alta energia que so formados na transmutao aps absoro dos nutrons.

iii. Ligas e disperses de Boro

A alta seo de choque de absoro trmica do B-10 e o baixo custo do Boro levou a uma utilizao de materiais contendo Boro em elementos de controle de reatores trmicos e tambm em reatores rpidos. A reao de transmutao dada por:

10 1 7 4B n Li+ + A partcula produzida se torna um tomo de Hlio. Podem ser utilizados ligas ou disperses de Boro principalmente com ao inox. As disperses de Boro-ao so formadas pelas tcnicas de metalurgia do p. O Boro na forma de liga ou disperso em ao inox forma compostos intermetlicos com o ferro, nquel e o cromo da matriz do metal. O resultado uma diminuio da ductilidade do ao inox. Ligas contendo acima de 2,5% em peso de Boro tendem a serem quebradias e so praticamente impossveis de fabricar por mtodos normais. As disperses podem conter at 3% em Boro (tomo %). Para se obter a efetividade necessria do elemento de controle utilizado o B-10 puro (20% do Boro natural). O ao inox com Boro ainda possui resistncia adequada corroso em reatores refrigerados a gua. O desempenho das ligas e disperses de Boro limitado por causa da reao 10B (n, ). A produo de tomos contendo quase que o dobro do volume original leva a um inchamento acentuado. Alm disso, como a maioria das reaes ocorrem na periferia do material (altamente absorvedor de nutrons), este inchamento localizado. Altos danos na superfcie so encontrados para pequenas queimas. Devido a este fato, este tipo de material no foi aplicado em reatores comerciais.

iv. Carbeto de Boro (B4C)

Carbeto de Boro (B4C) enriquecido ou no em B-10 pode ser utilizado em disperses em ao inox, em forma de p compactado e em forma de pastilhas sinterizadas como material absorvedor de elementos de controle/segurana.

Nas disperses a produo de Hlio na reao 10B (n, ) induz, como no caso de disperses de Boro, alto inchamento e deteriorizao do material.

B4C compactado em varetas (tubos de ao inox) tem sido utilizado em reatores BWR. O inchamento devido a produo de Hlio minimizado por:

migrao do Hlio para espaos vazios existentes na vareta; acomodao do inchamento das partculas pelos vazios internos do p

compactado (50 a 70% da densidade terica)

O maior problema de varetas compactadas que caso haja falha do revestimento metlico, o material absorvedor pode ser carreado para o refrigerante diminuindo a efetividade do elemento de controle.

B4C em forma de pastilhas sinterizadas tem aplicao em reatores PWR e em reatores rpidos. A pastilha de B4C age de uma forma semelhante partilha combustvel, ou seja, gera calor, expande termicamente, racha e reloca fragmentos, produz elementos de transmutao slido (Li) e gasoso (Hlio), incha e libera gs. De um modo geral as vantagens e desvantagens de B4C em p compactado ou em pastilhas sinterizadas so:

38

Vantagens: maior efetividade no incio de vida no reator do que Ag-In-Cd e Hf; alto ponto de fuso; compatibilidade com revestimento metlico; baixo custo; alto sucesso operacional para exposies mdias.

Desvantagens: os produtos de transmutao causam uma alta taxa de inchamento (maiores

do que Ag-In-Cd e Hf); gradientes trmicos e mudanas de volume causam trincas e relocao

semelhantes aos combustveis cermicos; liberao de gs Hlio como produto da transmutao; baixa resistncia corroso com gua; aumento do dimetro (devido ao inchamento) pode resultar em tenses e

deformaes no revestimento que levam sua ruptura com conseqente perda de B4C.

v. Carbeto de Boro disperso em Alumina (B4C-Al2O3)

Pastilhas sinterizadas de Al2O3-B4C encapsuladas em tubos de zircaloy-4 tem sido usadas como material absorvedor em veneno queimvel em reatores de potncia comerciais. As pastilhas consistem de uma matriz contnua de Al2O3 contendo partculas de B4C. Densidade de 70 a 95% tem sido usadas em LWR (Light Water Reactor). As concentraes de Boro variam de 0.1 a 4.0% em peso de B4C dependendo da efetividade (absoro neutrnica) desejada no ncleo, e conseguida ajustando a quantidade de p de B4C misturada ao Al2O3. As vantagens e desvantagens desse tipo de veneno queimvel so:

Vantagens: demonstrou desempenho satisfatrio em reatores LWR; baixa liberao de Hlio (< 10%) da reao 10B (n, ); estabilidade qumica a altas temperaturas (> 1300C); boa compatibilidade com revestimento de zircaloy; nenhum limite sobre maiores concentraes de B4C foi evidenciada.

Desvantagens: uma relativamente alta taxa de inchamento (1 a 1.5% em dimetro no

primeiro ciclo de operao em LWR comercial); a alta taxa de inchamento acoplada com a alta dureza e rigidez de Al2O3-

B4C pode levar a uma alta probabilidade de falhas de varetas por interao pastilha-revestimento;

rpida perda do B4C na eventualidade de falha do revestimento.

vi. Silicato de Boro

39

O uso de Silicato de Boro (forma vtrea) como material absorvedor em veneno queimvel, utilizado h bastante tempo em reatores LWR. (Obs. :o veneno queimvel de Angra I Silicato de Boro em forma de pastilhas anulares). As vantagens e desvantagens do Silicato de Boro podem ser resumidas em:

Vantagens: baixo custo e disponibilidade do material; facilidade de fabricao a baixo custo; boa homogeneidade do Boro; baixo inchamento at ~ 4 x 1021 n/cm2 s temperaturas de operao do

reator; baixa susceptibilidade de haver interao mecnica entre a pastilha e o

revestimento.

Desvantagens: alta liberao de Hlio; baixa rigidez leva a problemas de sustentao da coluna da pastilha; inchamento muito sensvel s temperaturas de operao que podem atingir

os LWR; baixa resistncia corroso ao refrigerante.

vii. UO2 - Gd2O3

Um veneno queimvel homogneo definido como aquele em que o material absorvedor homogeneamente misturado com o material combustvel. Tem sido utilizado em reatores em LWR pastilhas sinterizadas contendo a mistura de UO2 e Gd2O3 como veneno queimvel. O fato de o Gd2O3 formar uma soluo slida com o UO2 faz com que a fabricao das pastilhas no seja difcil. Adicionalmente a soluo slida quimicamente estvel e para baixa concentrao de Gadolnio, a pastilha tem propriedades muito parecidas s do UO2. As vantagens e desvantagens desse veneno homogneo so:

Vantagens: menor efetividade (neutrnica) ao final do ciclo de irradiao (ou seja, faz o

papel realmente de veneno queimvel); baixo custo de fabricao; baixo custo de reprocessamento de rejeitos; melhora a flexibilidade de projeto de recargas de reatores; diminui o custo de recargas dos reatores.

Desvantagens: o controle dos picos de potncia nos reatores LWR requer anlise detalhada; incertezas na previso da queima do Gadolnio leva a incertezas das

margens de desligamento, tempo de queima de um ciclo, e nos fatores de pico de potncia do ncleo do reator;

experincia limitada com altas concentraes de Gadolnio para altas queimas no reator.

viii. cido Brico

40

Alm do uso de Boro em elementos de controle, Boro tem sido usado em reatores PWR, para controle da reatividade, dissolvendo cido brico na gua de refrigerao/moderao. Quando o reator utiliza esta forma, os elementos de controle (componentes mecnicos) tem uma efetividade (valor de reatividade) suficiente para mudanas de potncia do reator (zero a 100%) com o refrigerante na temperatura de operao (~ 270C). Ao incio do ciclo de operao do reator (incio de vida) adicionado cido brico gua, de tal forma que o reator fique crtico com praticamente todos os elementos de controle (alm dos de segurana) retirados do ncleo. Ao longo da irradiao, a concentrao de Boro vai sendo diminuda (atravs de um sistema de controle Qumico e Volumtrico da gua do circuito primrio do reator) de forma a compensar reatividade devido a queima do Urnio. Se feito o desligamento do reator e resfriado o refrigerante para condies ambientes (~ 30C) necessrio aumentar a concentrao de Boro para compensar a reatividade positiva introduzida pela diminuio de temperatura de 270 a 30C. Este esquema de controle de reatividade por diluio de cido Brico no refrigerante denominado na literatura como controle qumico de reatividade (chemical shim control). OBS: Angra I opera desta forma.

Foi visto neste item os principais materiais absorvedores e funes exercidas no ncleo do reator. A forma dos componentes em que estes materiais se apresentam so as mais diversas e dependem do detalhamento do ncleo e tipo do reator, do tipo de Elementos Combustveis e da forma que se apresenta o material absorvedor (liga, pastilha, p, etc.). So encontrados vrios tipos de detalhamento, mas as formas bsicas so:

placas absorvedoras que contm o material absorvedor na forma de p compactado, liga metlica ou disperses em revestimento metlico;

varetas absorvedoras que contm o material absorvedor na forma de p compactado, liga metlica ou pastilhas sinterizadas com revestimento metlico.

Os Elementos de Controle/Segurana so constitudos de conjuntos de placas ou varetas que se movimentam no ncleo dentro de um E.C. ou em posies definidas entre Elementos Combustveis.

Em reatores MTR, por exemplo, o Elemento de Controle/Segurana se constitui de um conjunto de placas que penetram dentro de E.C. especiais ocupando as placas absorvedoras posies no preenchidas por placas combustveis. O E.C. especial possui guias para o movimento seguro do Elemento de Controle.

Em alguns reatores BWR, o Elemento de Controle/Segurana constitudo de um grupo de varetas absorvedoras num arranjo cruciforme que penetra entre E.C. (Figura 13).

Nos reatores PWR eram utilizados, inicialmente, Elementos de Controle cruciformes (como em BWR) mas atualmente so constitudos de um conjunto de varetas absorvedoras com arranjo definido no espaamento das varetas do E.C. (Figura 17), unidas por uma pea central denominada aranha (Figuras 13, 9 e 10). As varetas absorvedoras so guiadas pelos tubos guias existentes no E.C. Na aranha existem, normalmente, molas para amortecer o impacto do elemento de Controle/Segurana sobre o E.C. quando de um desligamento rpido do reator. A Figura 13 apresenta uma tabela com caractersticas de Elementos de Controle de reatores comerciais PWR.

Os Venenos Queimveis so conjuntos de placas ou varetas que ocupam posio fixa no ncleo. Estas podem ocupar posies de varetas ou placas combustveis dentro do reticulado do E.C. ou podem, como no caso do PWR, serem colocadas dentro dos tubos guias do E.C.

41

FIGURA 13 - Elemento de Controle

42

5 ANLISE DE PROJETO DE ELEMENTOS COMBUSTVEIS

Verificou-se nos captulos anteriores a importncia da seleo dos materiais para combustveis e absorvedores, e a necessidade de detalhamento mecnico adequado para atendimento dos requisitos funcionais. Neste item discutido, de forma resumida, como proceder para demonstrar por anlise o projeto de E.C. e Elementos de Controle/Segurana/Veneno Queimvel. Ser tomado como base o projeto de um E.C. de reator PWR (com varetas contendo pastilhas sinterizadas de UO2 e revestimento metlico), mas, por semelhana de raciocnio, pode ser estendido para anlise de qualquer E.C. ou Elemento de Controle/Segurana/Veneno Queimvel de qualquer tipo de reator. Optou-se tambm, neste item, por uma informao geral sobre o problema no sendo feita uma anlise especfica sobre cada fenmeno envolvido ou problemas especficos. Isto pode ser obtido de maneira extensa na bibliografia anotada no item 7.

O E.C. dever atender aos requisitos de projeto neutrnico e termo-hidrulico, e ter sobre si a responsabilidade de manter uma integridade mecnica e bom funcionamento ao longo da operao do reator. Prope-se como linha de ao de anlise de projeto que:

a) seja estabelecido um conjunto de requisitos funcionais para o E.C.; b) seja estabelecido um procedimento no qual exigido selecionar os eventos

especficos em cada uma das condies operacionais de projeto; c) seja estabelecida uma lista de parmetros os quais so sabidos afetarem a

capacidade do E.C. em atender um ou mais requisitos funcionais; d) seja estabelecido um procedimento no qual exigido:

definir quais as consideraes que afetam a capacidade do E.C. de preencher cada um dos requisitos funcionais sob cada evento postulado;

estabelecer limites apropriados para cada uma dessas consideraes, os quais sendo ultrapassados sero interpretados como falha do E.C.

A Figura 14 apresenta uma matriz em que esto relacionados, para um reator PWR, algumas condies de projeto possveis e os requisitos funcionais necessrios ao E.C. (apresentadas no item 3.2). estabelecido que para cada condio de projeto seja verificado quais os requisitos funcionais necessrios ao E.C. (preencher a matriz) e que seja demonstrado seu atendimento.

Os parmetros de projeto utilizados na anlise do E.C. devem ser identificados e justificados. Estes parmetros esto normalmente na forma de propriedades materiais, caractersticas dimensionais ou fenmenos fsicos necessrios caracterizao do E.C. Estes parmetros devem ser gerados atravs de mtodos adequados de engenharia. A lista abaixo mostra alguns desses parmetros:

a) condies gerais do reator

temperatura do refrigerante, presso do refrigerante, vazo do refrigerante, qumica do refrigerante, fluxo de nutrons, potncia do reator, variaes de vazo, movimento de internos, etc.

b) pastilha combustvel

aspectos fsicos: dimenses, geometria, densidade, rugosidade superficial, etc.;

composio qumica;

43

REQUISITOS FUNCIONAIS

CONDIES DE PROJETO 1

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9. A

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11. E

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i

I CONDIO I Operao Normal e Transitrios Operacionais

1. Operao em estado estacionrio/desligamento

2. Manobras operacionais

3. Operao com desvios permissveis

4. Testes pr-operacionais

5. Outros eventos

II CONDIO II Eventos de Freqncia Moderada

1. Perda parcial do escoamento do fluido

2. Perda da gua de alimentao normal

3. Transiente de rejeio de carga de projeto

4. Perda da gua de alimentao

5. Outros eventos

III CONDIO III Eventos Infreqentes

1. Perda do refrigerante por pequenas rupturas

2. Quebra da tubulao do secundrio

3. Retirada inadvertente de barra de controle

4. Outros eventos

IV CONDIO IV Faltas Limitantes

1. LOCA

2. Outros eventos

FIGURA 14 - Matriz Condies de Projeto X Requisitos Funcionais

44

propriedades dos materiais: trmicas - coeficiente de condutividade trmica, coeficiente de

expanso trmica, calor especfico, temperatura de mudana de fase, temperatura de fuso, etc.

mecnicas - mdulo de Young, coeficiente de Poison, etc. cermicas - tamanho e distribuio de gros, tamanho e distribuio de

poros. modelos ou teorias ou correlaes ou mecanismos:

rachaduras da pastilha, liberao de gases de fisso, creep, inchamento e densificao devido irradiao, condutividade trmica incluindo fatores de porosidade, expanso trmica, fuso.

c) vareta combustvel

aspectos fsicos: comprimento, dimetro, espessura do revestimento, ovalidade, comprimento da coluna de pastilha, rugosidade superficial do revestimento, volume de vazios e plenum, presso interna e composio do gs de enchimento, incluso de outros componentes (pastilha, isolante, mola, tubo), etc.;

composio qumica: designao do material de cada componente; propriedades dos materiais do revestimento e outros componentes:

trmicas - coeficiente de condutividade trmica, coeficiente de expanso trmica, calor especfico, temperatura de mudanas de fase, temperatura de fuso;

mecnicas - mdulo de Young, limite de escoamento, limite de ruptura, ductilidade, dureza, coeficiente de Poison, etc.;

metalrgicas - tamanho de gro, fatores de anisotropia, coeficientes de textura, orientao de hidretos;

qumicas - taxa de corroso, taxa de absoro de hidrognio, etc.

modelos ou teorias ou correlaes ou mecanismos: volume de vazios para acomodar gases de fisso, creep, colapso por creep, desempenho trmico, coeficiente de transferncia de calor gua/revestimento expanso trmica, condutncia da folga pastilha/revestimento, incluindo composio dos gases e condutividade trmica dos gases, flambagem, crescimento com irradiao, incluindo correlaes de anisotropia, relaxao de tenses, fadiga, interao pastilha-revestimento, falha por corroso sob tenso, taxa de hidretao, formao de folga entre pastilhas combustveis, deformaes plsticas, energia armazenada, variao do plenum, atrito entre pastilhas e revestimento, etc.

d) elemento combustvel

aspectos fsicos: caractersticas dimensionais, modo de fixao radial e axial, dimenses do canal de refrigerao entre varetas, dimenses e modo de posicionamento das grades espaadoras, etc.;

composio qumica: designao do material de cada componente estrutural do E.C.;

propriedades dos materiais: trmicas - coeficiente de condutividade trmica, coeficiente de

expanso trmica, transformaes de fase, calor especfico, etc.;

45

mecnicas - limite de ruptura, coeficiente de Poison, mdulo de Young, limite de escoamento, ductilidade, resistncia a fadiga, etc.

metalrgicas - tamanho de gro, fatores de anisotropia, coeficiente de textura, etc.

qumicas - taxa de corroso, taxa de absoro de hidrognio, etc.

modelos ou teorias ou correlaes ou mecanismos: desgaste, vibrao, relaxao de tenso, deformaes permanentes, crescimento e mudana de propriedades induzidos pela irradiao, foras de fixao das varetas e do E.C., etc.

OBS.: Na maioria das propriedades mecnicas/fsicas/qumicas/geomtricas devem ser levados em conta o efeito da temperatura de operao do reator e o histrico de irradiao e seus efeitos sobre estas propriedades.

Os limites de projeto devem ser estabelecidos com o objetivo de demonstrar que um requisito funcional, pertinente a uma determinada condio de projeto, satisfeito. Estes limites so aplicados com a finalidade de garantir que exista uma suficientemente baixa probabilidade de falha relacionada ao requisito funcional. Por exemplo, no caso da vareta combustvel, garantida sua integridade evitando temperaturas excessivas, evitando presso interna excessiva devido liberao de gases de fisso e evitando tenses e deformaes altas no revestimento. Os limites impostos (para operao normal - condio I, II) para a vareta so:

temperatura central da pastilha < 2500C presso interna da vareta < presso (de operao) do refrigerante tenso equivalente mxima no revestimento < tenso de escoamento ou tenso

limite de corroso sob tenso deformao equivalente mxima < 1%

No caso de condio IV, para a vareta so importantes os seguintes limites:

temperatura mxima do revestimento < 1200C mxima oxidao do revestimento < 17% da espessura mxima quantidade gerada de hidrognio < 1% se todo o revestimento reagisse

com gua ou vapor mudanas na geometria devem manter possvel a refrigerao do ncleo

Um valor suficiente de margem deve ser demonstrado, tal que as incertezas inerentes s previses analticas ou experimentais no resultem numa violao ao limite imposto para um determinado requisito funcional. opcional o mtodo utilizado pelo projetista para estabelecer que existe uma margem adequada e pode ser selecionada dentre um ou mais dos seguintes itens:

anlise probabilstica na qual as varincias estatsticas de parmetros independentes so combinadas estatisticamente;

anlise de sensibilidade na qual o valor da varincia do parmetro dependente resultante previsto como uma funo de tolerncia de variveis independentes;

anlise de caso mais desfavorvel no qual cada varivel independente deliberadamente variada de modo a produzir os mais adversos valores na previso das variveis dependentes;

anlises combinadas na qual certas variveis independentes so casos desfavorveis e outras so estatisticamente determinadas ou nominalmente

46

escolhidas e ponderadas para sensibilidade no valor do parmetro dependente previsto;

referncia de resultados experimentais ou comportamento operacional que claramente demonstra a adequacidade do projeto em preencher um requisito funcional especfico para uma determinada condio.

estabelecido que para cada condio de projeto seja verificado quais os requisitos funcionais necessrios ao E.C. e que seja analisado e demonstrado seu atendimento. Esta anlise se faz atravs de uma metodologia analtica/numrica/estatstica ou atravs de ensaios controlados que reproduzem o que se deseja analisar. Na metodologia de clculo devem ser considerados parmetros (propriedades materiais, reaes qumicas, efeitos de irradiao, modos de falha, etc.) envolvidos com o E.C., e para demonstrao devem ser fixados valores limites e margens convenientes que delimitem a fronteira de aceitao para consideraes que afetem a capacidade do E.C. em preencher um determinado requisito. A Figura 15 esquematiza a interligao entre condies de projeto e requisitos funcionais com uma metodologia de anlise. De um lado esto as condies de projeto com as caractersticas de materiais empregados e seu equacionamento matemtico. Do outro lado esto os requisitos funcionais com a idealizao geomtrica dos componentes. Unindo estes dois aspectos, material e geometria, est o equacionamento do problema envolvendo vrias reas atravs de mtodos analticos, numricos, estatsticos ou aplicando resultados experimentais. Esta metodologia pode gerar resultados de aplicao geral em engenharia, ou atravs de critrios preestabelecidos, condies de contorno existentes e limites preestabelecidos, pode gerar resultados especficos de projeto.

Tendo como base principal as idias resumidas at aqui, apresentada, como exemplo, uma metodologia de base analtico-numrica que possibilita a anlise de E.C. de reatores PWR comerciais. Esta metodologia busca sempre uma automatizao utilizando programas computacionais. Esta anlise pode ser dividida em dois grupos bsicos: o primeiro que analisa uma vareta combustvel e pastilha combustvel; o segundo que analisa o E.C. como um todo e seus componentes estruturais. Na anlise da vareta so de interesse os vrios parmetros e fenmenos envolvidos tanto com a pastilha quanto com o revestimento durante irradiao. Na anlise do E.C. ou seus componentes so de interesse os aspectos estruturais. As Figuras 16, 17 e 18 esquematizam esta metodologia. A Figura 16 apresenta de uma maneira geral a diviso efetuada entre a anlise de desempenho da vareta e a estrutural do E.C. e componentes. H, tambm, uma diviso de estudo sob condies normais de operao, devido ao grau de complexidade dos fenmenos envolvidos em cada um dos casos. Essas anlises recebem dados de entrada das vrias reas de atuao em projeto de reatores (neutrnica/termo-hidrulica) e esto interligadas entre si, pois uma depende do resultado da outra para poder ser realizada. discutido a seguir, de forma resumida, cada um dos itens separadamente.

i. Anlise de Desempenho de Vareta Combustvel

A Figura 17 esquematiza a anlise de desempenho de vareta combustvel. Entende-se como desempenho a forma como se comportam parmetros mecnicos e trmicos tanto da pastilha combustvel como do revestimento metlico e os dois integrados na vareta durante irradiao. A anlise dividida em condies de estado estacionrio e condies de acidentes.

Denomina-se de estudo em condies de estado estacionrio simulao de vareta para condies constantes de potncia e transferncia de calor. Pode-se simular, desta forma, patamares de potncia e variaes (rampas e ciclos) de potncia com taxas de variao muito pequenas.

47

Nessa anlise determinam-se parmetros para longos perodos de irradiao. Os cdigos empregados para estes estudos so determinsticos, ou seja, tentam simular de uma maneira ampla os fenmenos envolvidos na operao de vareta combustvel dentro do reator. A interligao entre os vrios parmetros torna a simulao complexa, existindo a necessidade de ajuste de modelos e parmetros com dados experimentais.

FIGURA 15 Esquema de Interligao de Condies de Projeto e Requisitos Funcionais para Anlises de E.C.

FIGURA 16 Esquema de Anlise de E.C.

MODELOSMATEMTICOS DE

COMPORTAMENTO DOSMATERIAIS

MTODOS RESULTADOSANALTICOS EXPERIMENTAIS

MTODOS MTODOSNUMRICOS ESTATSTICOS

TECNOLOGIA DE REATOR

REQU

ISIT

OS F

UNCI

ONAI

S, O

PERA

CION

AIS

OU D

E CO

NFIA

BILI

DADE

LIMITES OPERACIONAIS

SOLUO DE PROBLEMAS ESPECFICOS

COMPONENTESBSICOS DOCOMBUSTVEL: MATERIAL COMBUSTVEL, PASTILHAS, REVESTIMENTO, ETC.

COMPONENTESESTRUTURAIS: CONJUNTOS, GRADES ESPAADORAS, FIXAO, ETC.

VARETAS

PLACAS

GRELHAS

CASCAS

CONTNUO

CONDIES DE CONTORNO DEPROJETO: ESTACIONRIO, TRANSIENTE, DINMICO, ESTTICO, ETC.

EXPERINCIAPRTICA

CRITRIOS DE PROJETO:OPERACIONAL/FALHAS

ANLISE DESEGURANA E

CONFIABILIDADE ENGENHARIA

ANLISE

COMPONENTESIDEALIZAOGEOMTRICA

TERMO-FLUIDODINMICA

TERMO-ELASTICIDADE

TERMO-PLASTICIDADE

TERMO-VISCO-PLASTICIDADE

FADIGA

FRATURA

MATERIAISNUCLEARES

MECNICA CINCIA DOS DOSSLIDOS MATERIAIS

MATERIAISESTRUTURAIS

METAISCERMICOS

COND

IE

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NIC

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S, N

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.

MATERIAIS

SOLUES DE APLICAO GERAL

NEUTRNICATERMOHIDRULICA

DO NCLEO EHIDRULICA DO

PRIMRIO

ANLISE DEACIDENTES MATERIAIS

ANLISE DA VARETACOMBUSTVEL

ANLISE DO E.C.E COMPONENTES

CONDIESNORMAIS

CONDIESDE

ACIDENTE

CONDIESNORMAIS

CONDIESDE

ACIDENTE

48

FIGURA 17 Esquema de Anlise de Vareta Combustvel

ANLISE DA VARETA COMBUSTVEL

ANLISE DE DESEMPENHO DAVARETA COMBUSTVEL EMESTADO ESTACIONRIO

UTILIZAO DE CDIGOS DEDESEMPENHO DE VARETASCOMBUSTVEIS PARA ESTADOESTACIONRIO

UTILIZAO DE CDIGOSESPECFICOS PARA ANLISE DEVARETAS COMBUSTVEIS EMCONDIES DE ACIDENTE

ANLISE DE DESEMPENHO DAVARETA COMBUSTVEL SOBCONDIES DE ACIDENTE

PARMETROS DIVERSOSPARA PROJETO E OPERAO;PARA VRIAS ETAPAS DEQUEIMA DO COMBUSTVEL

PARMETROS DIVERSOS PARAPROJETO, LICENCIAMENTO,ANLISE DE FALHAS E/OUCONSEQUNCIA DA FALHA DAVARETA COMBUSTVEL

ANLISE DE PROBLEMASESPECFICOS COM A

PASTILHA E/OUREVESTIMENTO

UTILIZAO DEMODELOS OU CDIGOS

ESPECFICOS PARA CADAPROBLEMA

ANLISE EMSUCESSO DE

ESTADOSTRANSITRIOS

ANLISE EM SUCESSODE ESTADOS

ESTACIONRIOS

ANLISE DE RAMPASDE POTNCIA E PCI

ANLISE DETRANSIENTES

RPIDOS

UTILIZAO DECDIGOS ESPECIAIS

DE PCI -ASPECTOS MECNICOS

UTILIZAO DECDIGOS ESPECIAISPARA ANLISE DE

TRANSIENTES

PARMETROSESPECFICOS QUEFORAM OBJETO DE

ANLISE

PARMETROSDIVERSOS PARA

PROJETO E ANLISEDE FALHA DA

VARETA

1

2

49

FIGURA 18 Esquema de Anlise Estrutural de E.C.

A Figura 19 mostra a interligao entre parmetros na vareta combustvel para a determinao do coeficiente de transferncia de calor entre pastilha e revestimento. Nota-se a dificuldade de se simular deterministicamente uma vareta e da necessidade de interaes sucessivas para conve