Laboratório Nacional de Idaho e MIT revelam distribuição de porosidade em combustível U-10Zr

De acordo com pt.wedoany.com-O Laboratório Nacional de Idaho (Idaho National Laboratory) e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology) concluíram conjuntamente um estudo tridimensional das regiões radiais do combustível U-10Zr (liga de urânio-10% zircônio) após irradiação, revelando o comportamento de expansão do material em operação no reator, suas características de transferência de calor e os mecanismos de interação com o revestimento do combustível. A liga U-10Zr foi amplamente utilizada em testes de combustível em reatores rápidos resfriados a sódio no passado e é atualmente considerada um material candidato para combustíveis de reatores avançados de próxima geração.

De acordo com o MIT, as amostras do estudo foram retiradas de combustíveis utilizados no reator da Instalação de Teste de Fluxo Rápido (Fast Flux Test Facility, FFTF). Esse reator operou entre 1982 e 1992 no Hanford Site, no estado de Washington. Os experimentos foram realizados no Laboratório Nacional de Brookhaven (Brookhaven National Laboratory), onde a equipe utilizou a técnica de tomografia computadorizada de raios X com síncrotron de alta energia para analisar a rede de poros formada sob condições de irradiação e as alterações químicas no combustível.

O professor do MIT, Ericmoore Jossou, afirmou que o estudo torna a simulação da distribuição de poros no combustível mais precisa, ao mesmo tempo que aprofunda a compreensão do papel dos poros, podendo fornecer suporte ao projeto de operação segura de combustíveis metálicos para reatores. Em um estudo anterior publicado em 2020, uma equipe da Universidade Purdue (Purdue University) realizou a primeira caracterização tridimensional de U-10Zr irradiado, examinando microamostras extraídas de varetas de combustível da FFTF, determinando que 7,2% do volume da amostra de combustível era composto por poros e identificando três regiões de fase de urânio: empobrecido, intermediário e enriquecido.

Este novo estudo coletou amostras em múltiplas posições ao longo de toda a seção transversal do combustível, selecionando quatro regiões com teores variados de zircônio para análise. Os pesquisadores bombardearam as amostras com raios X de alta energia e observaram as alterações resultantes da interação, reconstruindo em três dimensões a rede de poros no interior do combustível, e identificaram a evolução da porosidade, da composição química e da interação combustível-revestimento ao longo da direção radial do combustível.

Segundo o MIT, os resultados do estudo mostram que a porosidade aumenta moderadamente do centro do combustível em direção à borda, enquanto na região de borda do combustível próxima ao revestimento, a densidade de poros apresenta um salto de mais de duas ordens de grandeza. A caracterização do tamanho e da forma dos poros indica que pequenos poros na região central se estendem para o exterior, formando gradualmente uma rede de poros de grande escala direcionada à borda do combustível.

Jossou explicou que os produtos de fissão, incluindo gases e lantanídeos, migram para o revestimento e reagem com ele, causando fragilização do revestimento e danos ao sistema de combustível, e a rede de poros facilita esse processo. No entanto, o estudo também mostra que, sob condições de alta temperatura, os poros podem atuar como canais de fluxo para o sódio líquido, melhorando a transferência de calor; poros interconectados também podem servir como canais de liberação de gases de fissão, aliviando a tensão interna na matriz do combustível.

O pesquisador de pós-doutorado do MIT, Anthony Harrup, destacou que nos modelos atuais os poros são simplificados como esferas, mas a situação real é muito mais complexa, especialmente quando um grande número de poros se coalesce; esse fenômeno ocorre ao longo de toda a direção do centro do combustível ao revestimento, o que explica as reações específicas no revestimento e a presença de substâncias químicas do revestimento encontradas no combustível.

Os pesquisadores consideram que o número de poros e sua distribuição são fatores importantes para compreender o desempenho e a vida útil do combustível. Existem diferenças entre as observações experimentais e os modelos existentes de formação de poros e de expansão do sistema de combustível, e essas informações sobre as diferenças têm potencial para impulsionar melhorias nos métodos de simulação, apoiando assim a extensão da vida operacional dos reatores.

Harrup afirmou que, por meio de métodos avançados de imagem computacional, o estudo correlaciona o ambiente químico local com a formação de poros, revelando a influência de ambientes ricos em urânio ou zircônio na morfologia dos poros e na estrutura dos canais, um fenômeno que não havia sido relatado anteriormente. A professora Dong Liu, da Universidade de Oxford (Oxford University), que não participou do estudo, avaliou que o trabalho conecta a porosidade tridimensional às propriedades térmicas do combustível, um resultado impressionante. O pesquisador do Laboratório Nacional de Idaho, Tiankai Yao, afirmou que a observação direta da conectividade dos poros e da interação combustível-revestimento em três dimensões fornece uma referência importante para melhorar o desempenho de combustíveis metálicos avançados para reatores rápidos resfriados a sódio.