Vaso de pressão do reator - Reactor pressure vessel

O reator usado na primeira usina nuclear comercial dos EUA , a Shippingport Atomic Power Station . Foto de 1956.

Um vaso de pressão do reator (RPV) em uma usina nuclear é o vaso de pressão que contém o refrigerante do reator nuclear , a cobertura do núcleo e o núcleo do reator .

Classificação de reatores de energia nuclear

Um RPV típico

Os reatores RBMK da era soviética russa têm cada conjunto de combustível encerrado em um tubo individual de 8 cm de diâmetro, em vez de ter um vaso de pressão. Embora a maioria dos reatores de energia tenha um vaso de pressão, eles geralmente são classificados pelo tipo de refrigerante, e não pela configuração do vaso usado para conter o refrigerante. As classificações são:

Das principais classes de reatores com um vaso de pressão, o reator de água pressurizada é o único em que o vaso de pressão sofre irradiação de nêutrons significativa (chamada de fluência ) durante a operação e pode se tornar quebradiço com o tempo como resultado. Em particular, o vaso de pressão maior do reator de água fervente é melhor protegido do fluxo de nêutrons, portanto, embora seja mais caro para fabricar em primeiro lugar por causa desse tamanho extra, ele tem a vantagem de não precisar de recozimento para estender sua vida útil.

O recozimento de vasos de reatores de água pressurizada para estender sua vida útil é uma tecnologia complexa e de alto valor que está sendo ativamente desenvolvida por fornecedores de serviços nucleares ( AREVA ) e operadores de reatores de água pressurizada.

Componentes de um vaso de pressão de reator de água pressurizada

O corpo do reator e a cabeça do navio estão sendo enviados para a Estação Geradora de Dresden

Todos os vasos de pressão do reator de água pressurizada compartilham algumas características, independentemente do projeto específico.

Corpo do vaso do reator

O corpo do vaso do reator é o maior componente e é projetado para conter o conjunto de combustível, refrigerante e acessórios para suportar o fluxo de refrigerante e as estruturas de suporte. Geralmente é de forma cilíndrica e é aberto na parte superior para permitir que o combustível seja carregado.

Cabeça do reator

Uma cabeça de vaso de reator para um reator de água pressurizada

Esta estrutura é fixada na parte superior do corpo do vaso do reator. Ele contém penetrações para permitir que o mecanismo de acionamento da haste de controle se prenda às hastes de controle no conjunto de combustível. A sonda de medição do nível de refrigerante também entra no vaso através da cabeça do vaso do reator.

Conjunto de combustível

A montagem do combustível nuclear geralmente consiste em urânio ou misturas de urânio-plutônio. Geralmente é um bloco retangular de barras de combustível em grade.

Refletor ou absorvedor de nêutrons

Protegendo o interior da embarcação de nêutrons rápidos que escapam do conjunto de combustível está uma blindagem cilíndrica enrolada em torno do conjunto de combustível. Os refletores enviam os nêutrons de volta ao conjunto de combustível para melhor utilizar o combustível. O objetivo principal, porém, é proteger a embarcação de danos induzidos por nêutrons rápidos que podem tornar a embarcação quebradiça e reduzir sua vida útil.

Materiais

O RPV desempenha um papel crítico na segurança do reator PWR e os materiais usados ​​devem ser capazes de conter o núcleo do reator em temperaturas e pressões elevadas. Os materiais usados ​​na casca cilíndrica dos vasos evoluíram ao longo do tempo, mas em geral consistem em aços ferríticos de baixa liga revestidos com 3-10mm de aço inoxidável austenítico . O revestimento de aço inoxidável é usado principalmente em locais que entram em contato com o refrigerante para minimizar a corrosão. Em meados de 1960, SA-302, Grau B, uma placa de aço de molibdênio-magnésio, foi usado no corpo do navio. Como a mudança de projetos exigia vasos de pressão maiores, a adição de níquel a esta liga em cerca de 0,4-0,7% em peso foi necessária para aumentar a resistência ao escoamento. Outras ligas de aço comuns incluem SA-533 Grau B Classe 1 e SA-508 Classe 2. Ambos os materiais têm principais elementos de liga de níquel, manganês, molibdênio e silício, mas o último também inclui 0,25-0,45% em peso de cromo. Todas as ligas listadas na referência também têm> 0,04% em peso de enxofre. Os aços ferríticos NiMoMn de baixa liga são atraentes para essa finalidade devido à sua alta condutividade térmica e baixa expansão térmica, propriedades que os tornam resistentes ao choque térmico. No entanto, ao considerar as propriedades desses aços, deve-se levar em consideração a resposta que terá ao dano por radiação. Devido às condições adversas, o material do invólucro do cilindro RPV é frequentemente o componente que limita a vida útil de um reator nuclear. Compreender os efeitos da radiação na microestrutura, além das propriedades físicas e mecânicas, permitirá aos cientistas projetar ligas mais resistentes aos danos da radiação.

Em 2018, a Rosatom anunciou que havia desenvolvido uma técnica de recozimento térmico para RPVs que ameniza os danos por radiação e estende a vida útil em 15 a 30 anos. Isso foi demonstrado na unidade 1 da Central Nuclear de Balakovo .

Danos por radiação em metais e ligas

Devido à natureza da geração de energia nuclear, os materiais usados ​​no RPV são constantemente bombardeados por partículas de alta energia. Essas partículas podem ser nêutrons ou fragmentos de um átomo criado por um evento de fissão. Quando uma dessas partículas colide com um átomo no material, ela transferirá parte de sua energia cinética e tirará o átomo de sua posição na rede. Quando isso acontece, este átomo primário "knock-on" (PKA) que foi deslocado e a partícula energética pode ricochetear e colidir com outros átomos na rede. Isso cria uma reação em cadeia que pode fazer com que muitos átomos sejam deslocados de suas posições originais. Este movimento atômico leva à criação de muitos tipos de defeitos. O acúmulo de vários defeitos pode causar alterações microestruturais que podem levar à degradação das propriedades macroscópicas. Como mencionado anteriormente, a reação em cadeia causada por uma PKA geralmente deixa um rastro de vagas e grupos de defeitos na borda. Isso é chamado de cascata de deslocamento . O núcleo rico em vazio de uma cascata de deslocamento também pode desmoronar em loops de deslocamento. Devido à irradiação, os materiais tendem a desenvolver uma concentração maior de defeitos do que a que ocorre nos aços típicos, e as altas temperaturas de operação induzem a migração dos defeitos. Isso pode causar coisas como recombinação de intersticiais e vazios e agrupamento de defeitos semelhantes, que podem criar ou dissolver precipitados ou vazios. Exemplos de sumidouros, ou locais termodinamicamente favoráveis ​​para onde os defeitos migram, são contornos de grãos, vazios, precipitados incoerentes e deslocamentos.

Segregação induzida por radiação

As interações entre defeitos e elementos de liga podem causar uma redistribuição de átomos em sumidouros, como contornos de grão. O efeito físico que pode ocorrer é que certos elementos serão enriquecidos ou esgotados nessas áreas, o que muitas vezes leva à fragilização dos limites dos grãos ou outras alterações de propriedades prejudiciais. Isso ocorre porque há um fluxo de vagas em direção a um coletor e um fluxo de átomos para longe ou em direção ao coletor que pode ter coeficientes de difusão variáveis. As taxas desiguais de difusão causam uma concentração de átomos que não estará necessariamente nas proporções corretas da liga. Foi relatado que o níquel, o cobre e o silício tendem a ser enriquecidos em sumidouros, enquanto o cromo tende a se esgotar. O efeito físico resultante é a alteração da composição química nos limites dos grãos ou em torno de vazios / precipitados incoerentes, que também servem como sumidouros.

Formação de vazios e bolhas

Os vazios se formam devido a um agrupamento de vagas e geralmente se formam mais prontamente em temperaturas mais altas. As bolhas são simplesmente vazios preenchidos com gás; eles ocorrerão se as reações de transmutação estiverem presentes, o que significa que um gás é formado devido à quebra de um átomo causada pelo bombardeio de nêutrons. O maior problema com vazios e bolhas é a instabilidade dimensional. Um exemplo de onde isso seria muito problemático são as áreas com tolerâncias dimensionais estreitas, como roscas em um fixador.

Endurecimento por irradiação

A criação de defeitos como espaços vazios ou bolhas, precipitados, linhas ou loops de deslocamento e aglomerados de defeitos podem fortalecer um material porque bloqueiam o movimento de deslocamento. O movimento dos deslocamentos é o que leva à deformação plástica. Embora isso endureça o material, a desvantagem é que há uma perda de ductilidade. Perder a ductilidade ou aumentar a fragilidade é perigoso em RPVs porque pode levar a uma falha catastrófica sem aviso prévio. Quando os materiais dúcteis falham, há deformação substancial antes da falha, que pode ser monitorada. Materiais quebradiços irão rachar e explodir quando sob pressão sem muita deformação prévia, então não há muito o que os engenheiros podem fazer para detectar quando o material está prestes a falhar. Um elemento particularmente prejudicial em aços que pode levar ao endurecimento ou fragilização é o cobre. Precipitados ricos em cobre são muito pequenos (1-3 nm), portanto, são eficazes na fixação de deslocamentos. Foi reconhecido que o cobre é o elemento prejudicial dominante em aços usados ​​para RPVs, especialmente se o nível de impureza for maior que 0,1% em peso. Assim, o desenvolvimento de aços "limpos", ou com níveis de impureza muito baixos, é importante na redução do endurecimento induzido por radiação.

Rastejar

A fluência ocorre quando um material é mantido sob níveis de tensão abaixo de sua tensão de escoamento, o que causa deformação plástica ao longo do tempo. Isso é especialmente prevalente quando um material é exposto a altas tensões em temperaturas elevadas, porque a difusão e o movimento de deslocamento ocorrem mais rapidamente. A irradiação pode causar fluência devido à interação entre o estresse e o desenvolvimento da microestrutura. Nesse caso, o aumento das difusividades devido às altas temperaturas não é um fator muito forte para causar fluência. As dimensões do material tendem a aumentar na direção da tensão aplicada devido à criação de loops de deslocamento em torno dos defeitos que se formaram devido aos danos da radiação. Além disso, o estresse aplicado pode permitir que os intersticiais sejam mais prontamente absorvidos no deslocamento, o que auxilia na subida do deslocamento. Quando as luxações podem subir, sobram vagas em excesso, o que também pode levar ao inchaço.

Rachadura de corrosão sob tensão assistida por irradiação

Devido à fragilização dos contornos dos grãos ou outros defeitos que podem servir como iniciadores de rachaduras, a adição de ataque de radiação nas rachaduras pode causar rachaduras de corrosão por tensão intergranular. O principal estressor ambiental que se forma devido à radiação é a fragilização por hidrogênio nas pontas das fissuras. Os íons de hidrogênio são criados quando a radiação divide as moléculas de água, o que está presente porque a água é o refrigerante em PWRs, em OH - e H + . Existem vários mecanismos suspeitos que explicam a fragilização por hidrogênio, três dos quais são o mecanismo de descoesão, a teoria da pressão e o método de ataque do hidrogênio . No mecanismo de descoesão, acredita-se que o acúmulo de íons de hidrogênio reduz a resistência da ligação metal-metal, o que torna mais fácil separar os átomos. A teoria da pressão é a ideia de que o hidrogênio pode precipitar como um gás em defeitos internos e criar bolhas dentro do material. A tensão causada pela bolha em expansão, além da tensão aplicada, é o que reduz a tensão geral necessária para fraturar o material. O método de ataque do hidrogênio é semelhante à teoria da pressão, mas neste caso suspeita-se que o hidrogênio reage com o carbono do aço para formar metano, que então forma bolhas e bolhas na superfície. Nesse caso, a tensão adicionada pelas bolhas é potencializada pela descarbonetação do aço, que enfraquece o metal. Além da fragilização por hidrogênio, a fluência induzida por radiação pode fazer com que os contornos dos grãos deslizem uns contra os outros. Isso desestabiliza ainda mais os limites dos grãos, tornando mais fácil a propagação de uma rachadura ao longo de seu comprimento.

Projetando materiais resistentes à radiação para vasos de pressão do reator

Ambientes muito agressivos requerem novas abordagens de materiais para combater o declínio nas propriedades mecânicas ao longo do tempo. Um método que os pesquisadores procuraram usar é a introdução de recursos para estabilizar átomos deslocados. Isso pode ser feito adicionando limites de grão, solutos superdimensionados ou pequenos dispersantes de óxido para minimizar o movimento do defeito. Ao fazer isso, haveria menos segregação de elementos induzida por radiação, o que, por sua vez, levaria a contornos de grão mais dúcteis e menos rachaduras de corrosão por tensão intergranular. O bloqueio do deslocamento e do movimento do defeito também ajudaria a aumentar a resistência à fluência assistida por radiação. Têm sido relatadas tentativas de instituir óxidos de ítrio para bloquear o movimento de deslocamento, mas descobriu-se que a implementação tecnológica representava um desafio maior do que o esperado. Mais pesquisas são necessárias para continuar a melhorar a resistência a danos por radiação de materiais estruturais usados ​​em usinas nucleares.

Fabricantes

Devido aos requisitos extremos necessários para construir grandes vasos de pressão de reator de última geração e ao mercado limitado, em janeiro de 2020 havia apenas um punhado de fabricantes no mundo, incluindo:

Veja também

Referências