Sobre a melhoria do combustível nuclear

Um elemento-chave no sistema de produção de energia nuclear é o combustível nuclear. O mesmo produto caro e de alta tecnologia, cuja criação centenas de engenheiros trabalham nos últimos 50 anos. No entanto, acidentes graves, por exemplo, nas usinas nucleares de Three Mile Island e Fukushima-Daiichi, mostraram que, em condições extremas, é provável que o combustível nuclear falhe e o acidente leve a consequências significativas.

Reconhecendo que os projetos atuais de combustíveis são vulneráveis ​​a acidentes graves, o interesse renovado em projetos de combustíveis alternativos será mais resistente a falhas e produção de hidrogênio, como o principal fator que levou a essa falha. Esses novos projetos de combustível devem ser compatíveis com os sistemas de combustível e reator existentes e cumprir com todos os requisitos regulamentares da energia nuclear moderna.

Um pouco para as raízes e o estado atual das coisas

Cerca de 400 usinas nucleares operando em todo o mundo, fornecendo mais de 1/10 da geração de eletricidade no planeta, consomem menos combustível (em peso) durante todo o ano do que uma que não é a maior usina a carvão em um dia.

Tais estatísticas generalizadas para entender a intensidade energética do combustível nuclear.

O atual combustível nuclear ou conjunto de combustível (FA) para a maioria das usinas nucleares é um produto de construção de máquinas, que é um monte de invólucros cilíndricos de zircônio (barras de combustível) cheios de pellets de urânio enriquecido e gás sob pressão. Esse pacote é combinado em um design único com as grades espaçadoras do tipo "favo de mel" montadas em um tubo central.


Controle de entrada de conjuntos de combustível de projeto ocidental em usinas nucleares

Acredita-se que o zircônio como elemento combustível tenha sido proposto pela primeira vez pelo almirante Hyman Rickover em junho de 1946, para o programa de reatores de transporte da Marinha dos EUA. Este material tem as propriedades desejadas e provou-se há muito tempo.

Como material dos comprimidos, o óxido de metal pesado é comumente usado. Geralmente é dióxido de urânio, com muito menos frequência - uma mistura de óxidos de urânio e plutônio. O urânio com um conteúdo de isótopo de 235U não superior a 5% é usado em reatores de potência modernos, incluindo a composição natural de isótopo de urânio (~ 0,71%) ou ligeiramente enriquecido.

Mantendo essas características comuns nas últimas décadas, houve uma mudança gradual nas características estruturais "secundárias" dos conjuntos de combustível. Isso melhorou as propriedades de consumo do combustível, sua confiabilidade e segurança, fornecendo uma vantagem competitiva tangível com as versões anteriores dos conjuntos de combustível.

Aqui estão alguns deles:

1. Aumento do nível de enriquecimento: na década de 1970, mal ultrapassava 3%, enquanto hoje o enriquecimento máximo para reatores de água leve está se aproximando de 5%. Juntamente com um aumento no nível de enriquecimento, ele é perfilado no núcleo do reator - até as diferenças entre as partes do comprimido no combustível promissor.
2. Aumento da carga de urânio em massa. Essa alteração ocorreu principalmente devido a uma alteração na geometria dos elementos de combustível e nas partes estruturais do conjunto de combustível. Por exemplo, para os reatores VVER, o comprimento da parte "combustível" da montagem aumentou - aproximadamente 15 cm. Para os reatores de design ocidental, o número de barras de combustível em uma montagem quadrada mudou ao longo do tempo: 15x15, 17x17.
3. Mudanças significativas nas ligas de zircônio. Um exemplo marcante da modernização de materiais de casca é a introdução generalizada de nióbio como um dos principais elementos de liga. Ao contrário das ligas comuns no passado, nas quais o nióbio estava ausente ou contido em pequenas quantidades (Zircaloy 4, Zircaloy 2), os materiais contendo cerca de 1% de nióbio se tornaram dominantes. Isso se aplica, por exemplo, às ligas da marca Westinghouse (Zirlo, Zirlo aprimorada, AXIOM), Framatome / Areva (ligas M5, Q) e Rosatom (ligas E110, E635). Além disso, em várias ligas de zircônio, componentes como estanho, níquel e cromo foram reduzidos ou eliminados. Tecnologia aprimorada para minimizar o conteúdo de háfnio na liga de zircônio.
4. Aprimoramento abrangente dos projetos de montagem de combustível. Durante o desenvolvimento, alguns elementos de design dos conjuntos (caixas e tampas dos conjuntos de combustível) foram excluídos. Havia soluções que aumentam a resistência do conjunto de combustível, sua resistência à deformação, soluções que fornecem integridade adicional à barra de combustível (introdução de filtros anti-detritos) e atendem a novos requisitos regulatórios, por exemplo, à resistência a terremotos. O design dos conjuntos de combustível foi dobrável, permitindo a substituição de elementos individuais de combustível e a operação contínua.

Nem todas estão listadas acima, mas as alterações mais básicas no projeto de combustível que ocorreram desde a fabricação dos primeiros conjuntos de combustível.

Pedra de tropeço

A partir do primeiro parágrafo, pode-se adivinhar que os atuais conjuntos de combustível já conseguiram atingir os indicadores-limite de eficiência e segurança por um longo tempo de desenvolvimento, mas agora pelo menos dois fatores obrigam os projetistas a continuar melhorando ainda mais o combustível nuclear.

Considerando a enorme liberação de energia específica da zona ativa de um reator de água leve ~ 150 W / cm3, combinada com a possibilidade de introduzir reatividade positiva ou perda de resfriamento nesse sistema complexo, os engenheiros desde o início entenderam a importância do projeto de sistemas de segurança.

Para desenvolver uma estratégia de mitigação de acidentes, dois tipos de eventos foram tomados como base para o design de sistemas de segurança: eventos baseados em RIA ( positivo, reatividade insertion acidente ) e eventos baseados em perda de perda de refrigerante (LOCA) ). Os sistemas de segurança básica foram projetados especificamente para responder a esses eventos de design.

Mas a experiência de acidentes como as usinas nucleares de Three Mile Island e Fukushima-Daiichi provou que, com várias falhas e eventos iniciais sobrepostos, os sistemas de segurança ativos não conseguem lidar com as funções atribuídas a eles, em particular a remoção de calor residual dos conjuntos de combustível localizados no núcleo .

A equação de transferência de calor em sua forma simples explica bem o que está acontecendo em um reator nuclear durante o desenvolvimento de um acidente com perda de dissipador de calor:



O lado esquerdo da equação descreve a mudança de temperatura ( T ) ao longo do tempo ( t ); essa mudança também é determinada pela capacidade térmica dos materiais no núcleo ( pSr ). O primeiro termo do lado direito, no caso geral, representa, de forma simplificada, os processos de transferência de calor (condução, convecção e radiação) para remover o calor do núcleo. O segundo termo é a quantidade de calor gerado no núcleo ( Q ).

Durante os eventos mencionados, o modo de resfriamento da zona ativa é violado, o primeiro termo do lado direito fica numericamente menor e o calor Q causa gradualmente um aumento de temperatura. A partir do momento em que o núcleo do reator fica parcial ou completamente exposto (o nível da água cai, a água é substituída pelo vapor), a eficiência de remoção de calor do núcleo diminui acentuadamente, a temperatura das barras de combustível continua a subir, o que serve como o início da degradação química e física das barras de combustível. A degradação física do revestimento da barra de combustível começa em temperaturas (700-1000 ° C) e causa inchaço e ruptura das conchas.

A degradação química é expressa principalmente pela oxidação a vapor do zircônio. O fator chave é a exotérmica dessa reação. E, claro, o produto dessa reação é hidrogênio explosivo. Por exemplo, ~ 125 kg de zircônio em cada conjunto de combustível de um reator sob pressão produz cerca de 820 MJ de calor e mais de 2700 mol de gás hidrogênio em reação ao vapor.

Dependendo do projeto do reator de água leve, cerca de 25 a 40 toneladas de zircônio estão presentes no núcleo, com a oxidação completa da qual será gerada uma enorme quantidade de calor, além da liberação residual (na melhor das hipóteses) de energia residual do próprio combustível.


O valor da energia térmica do sistema, dependendo do tempo de desligamento do reator, levando em consideração a reação exotérmica da oxidação do zircônio

O hidrogênio gerado, por sua vez, não se acumula pacificamente e, sem a operação adequada dos sistemas para seu descarte, leva a uma explosão ou incêndio em larga escala, enquanto o núcleo pode derreter o vaso e absorver o concreto do compartimento do reator.

Conceito de combustível resistente a acidentes

O cenário apocalíptico descrito acima repete basicamente os eventos na usina nuclear de Fukushima em 2011. Esse evento levou à revisão de vários padrões de segurança nuclear, especialmente aqueles relacionados a projetos sérios e além de acidentes com base no projeto (com blecaute completo da instalação do reator e perda de refrigerante). Em particular, graças a esse acidente, a concorrência de usinas nucleares com outras fontes de energia se intensificou em muitas regiões do mundo, o que aumenta significativamente os requisitos para a economia de usinas nucleares e sua segurança (com desempenho econômico igual ou às vezes perdendo de projetos, os investidores podem preferir fontes de energia não nucleares).

Esse fator aumenta significativamente os requisitos para todos os elementos da produção de eletricidade em usinas nucleares, especialmente o combustível nuclear. Na década atual, o trabalho foi intensificado para criar um combustível fundamentalmente novo que possa suportar acidentes graves, mantendo ou melhorando o desempenho econômico e a segurança durante a operação normal. Muitos desenvolvimentos desse tipo foram chamados coletivamente de combustível tolerante a acidentes (ATF) - um combustível com maior resistência a acidentes.

A filosofia das mudanças no projeto de conjuntos de combustíveis baseia-se na substituição de materiais dos principais componentes do combustível nuclear, principalmente cascas de elementos combustíveis e pellets de combustível, por materiais mais resistentes aos processos que ocorreram no momento do acidente.

Concha TVEL

A principal abordagem na escolha dos elementos combustíveis para os elementos combustíveis de uma barra de combustível para combustível ATF é a necessidade de eliminar ou reduzir o grau de reação vapor-zircônio e, como conseqüência, a liberação de calor e hidrogênio adicionais. Uma solução rápida e óbvia é aplicar um revestimento protetor na superfície da carcaça de zircônio. Revestimentos finos na carcaça de zircônio devem ter um efeito mínimo nas características físicas térmicas e de nêutrons do combustível. Os cientistas descobriram que cromo, alumínio e silício têm boa resistência à oxidação do vapor em altas temperaturas. Essas impurezas demonstram estabilidade em um meio de vapor de alta temperatura, apesar de poderem reagir com o vapor.


Taxa de oxidação parabólica para vários materiais em pares, dependendo da temperatura

Como pode ser visto no gráfico, a taxa de oxidação desses materiais, que formam e são protegidos por seus filmes de óxido, é duas ordens de grandeza menor que a taxa de oxidação do zircônio. Uma diminuição na taxa de oxidação do vapor afeta diretamente a taxa de evolução de calor e hidrogênio durante LOCA grave no núcleo do reator.

O revestimento de cascas de TVEL com cromo metálico agora é considerado a tecnologia mais promissora para desenvolvimento futuro. Revestimentos de TVEL sem o uso de zircônio também são considerados promissores, por exemplo, materiais FeCrAl e SiC / SiC.


Testando a carcaça de silicone do combustível EnCore (Westinghouse) em temperaturas acima de 1300ºC

Células a combustível

A segunda direção mais importante no desenvolvimento do combustível ATF é a seleção e justificativa do material da matriz de combustível, que terá melhor condutividade térmica em comparação à cerâmica clássica. Isso, por sua vez, exige a solução de vários problemas emergentes: prevenção de reações químicas da carcaça e combustível, inchaço e danos à carcaça por combustível, localização de produtos de fissão, etc.

O Instituto de Energia Atômica da Coréia do Sul (KAERI) está trabalhando na criação de comprimidos de microelemento (microcélula) para aumentar a capacidade de retenção de produtos de fissão e melhor condutividade térmica em comparação com os comprimidos convencionais de dióxido de urânio.


Conceito de comprimido de combustível de microelemento

A figura mostra uma ilustração conceitual em que é possível observar que os grãos ou grânulos de UO2 estão rodeados por uma parede fina. A principal tarefa de criar esses comprimidos é reduzir a produção de produtos de fissão dos comprimidos. A capacidade aprimorada de reter produtos de fissão reduz a fissuração por corrosão por estresse no interior de uma barra de combustível causada por iodo e césio.

Espera-se que isso possa afetar positivamente a força das barras de combustível. Além disso, a estrutura de microelementos impedirá a fragmentação maciça do comprimido durante um acidente, proporcionando assim uma retenção adicional de produtos de fissão radioativa.

A condutividade térmica de tais comprimidos pode ser melhorada adicionando materiais com um alto coeficiente de condutividade térmica, por exemplo, usando metais na forma de uma parede de um elemento.


Estrutura típica de oligoelementos com metal

Essa alteração reduzirá a temperatura no centro do tablet em condições normais e de emergência de operação dos elementos combustíveis.

Para entender como as inovações acima são implementadas na prática, darei o exemplo a seguir. Westinghouse cria um combustível tolerante sob a marca EnCore, que é um comprimido de silicida de urânio U3Si2, inicialmente fechado (na primeira etapa deste programa) em um invólucro feito de liga de zircônio cromado Zirlo.

Espera-se que o combustível de siliceto de urânio ultrapasse o dióxido tradicional em mais de 5 vezes em condutividade térmica e em ~ 1/5 em densidade, e a absorção de nêutrons pelo invólucro de carboneto de silício seja ~ 1/4 menor que nas ligas de zircônio.

Devido aos dois últimos parâmetros, a empresa pretende manter o enriquecimento da EnCore em 5%, o que facilitará sua promoção no mercado. Em 2018, a Westinghouse planeja lançar a produção piloto de barras de combustível em uma concha de zircônio cromada, em 2019 - para começar a testá-las como parte de conjuntos de combustível padrão na Byron NPP nos EUA.

Sumário

As alterações descritas acima fazem parte dos projetos reais sendo implementados agora. Talvez no futuro testemunharemos a introdução de soluções mais exóticas .

Até o momento, vale ressaltar que o surgimento no mercado de projetos economicamente viáveis ​​e novos, do ponto de vista da segurança, de combustíveis nucleares ajudará a fortalecer a posição da energia nuclear no mundo.

Autor: Yatsenko Mikhail.

Fontes:

1. Kurt A. Terrani "Desenvolvimento de revestimento de combustível tolerante a acidentes: promessa, status e
   desafios ";
2. IAEA-TECDOC-1797 "Conceitos de combustível tolerante a acidentes
   para reatores de água leve ";
3. Materiais da revista "Atomic Expert" No. 3, maio de 2018.