O combustível nuclear, fonte de energia e principal barreira de segurança para reatores nucleares, é uma fronteira tecnológica estratégica disputada pelos países com desenvolvimento nuclear. É a tecnologia central mais rigorosamente controlada em toda a cadeia da indústria de energia nuclear, caracterizada por alta complexidade de P&D, longos ciclos de desenvolvimento e investimentos significativos. O mercado de montagem de combustível nuclear da China, avaliado em 20 bilhões de yuans por ano, é há muito tempo monopolizado por países como França, Estados Unidos e Rússia. Marcas estrangeiras de montagem de combustível respondem por 98% do mercado, estrangulando o desenvolvimento seguro e proativo da energia nuclear chinesa e limitando o objetivo estratégico de promover a tecnologia independente de energia nuclear de terceira geração internacionalmente. Para abordar o desenvolvimento sustentável da energia nuclear e resolver gargalos, o Centro de Segurança Nuclear e Radiológica do Ministério da Ecologia e Meio Ambiente integrou de forma abrangente os pontos fortes dos três principais grupos de energia nuclear para formar uma equipe nacional de pesquisa. Esta equipe conduziu mais de uma década de pesquisa sobre a integração de conjuntos de combustível independentes em reatores e, pela primeira vez na China, conduziu sistematicamente uma avaliação de segurança da integração de conjuntos de combustível de alto desempenho em reatores para reatores de água pressurizada avançados independentes de grande escala. Um sistema regulatório de segurança nuclear multinível abrangendo diretrizes de segurança nuclear, diretrizes de revisão e padrões e especificações técnicas foi estabelecido. As avaliações de segurança para 24 conjuntos de tubos de amostra, hastes piloto e conjuntos piloto foram concluídas, garantindo a colocação de 14 tipos (51 grupos) de conjuntos de combustível, 16 hastes piloto e conjuntos de combustível piloto no reator. 42 ciclos de teste de irradiação e mais de 50 inspeções à beira da piscina e em células quentes foram concluídos, sem danos a qualquer combustível produzido internamente. Isso apoiou firmemente o desenvolvimento rápido, seguro e inovador dos conjuntos de combustível para reatores de água pressurizada comerciais da China. Os resultados da pesquisa "Pesquisa sobre o Sistema de Padrões e Especificações e Tecnologias-Chave para a Colocação de Conjuntos de Combustível Doméstico no Reator" receberam o primeiro prêmio do Prêmio de Progresso em Ciência e Tecnologia da Associação de Energia Nuclear da China de 2024.

Como as Ligas de Zircônio São Produzidas

O principal desafio no desenvolvimento de conjuntos de combustível produzidos internamente é o material de revestimento utilizado nas barras de combustível. O revestimento é a camada externa selada que contém o núcleo do combustível nuclear. Com um diâmetro de 9,5 mm, uma espessura de parede inferior a 1 mm e um comprimento de quase 4 metros, ele serve como a "primeira linha de defesa" de um reator nuclear. O desempenho e a qualidade dos materiais de revestimento estão diretamente relacionados à qualidade e à segurança dos elementos de combustível nuclear. Danos ou derretimento do revestimento podem causar vazamento de combustível nuclear e a disseminação de contaminação radioativa. É o material estrutural mais crítico em um reator. Na realidade, o revestimento não é feito de zircônio puro, mas sim de uma liga de zircônio — um material com pequenas quantidades de outros metais adicionados ao zircônio. Os tipos e concentrações desses elementos adicionados têm sido um desafio científico há muito tempo. Mesmo pequenas diferenças nos elementos de liga podem levar a diferenças significativas no desempenho do revestimento, especialmente após irradiação. Essa tecnologia é dominada por apenas alguns países no mundo.

"Eu realmente quero tentar fazer minha própria liga de zircônio!" Esse era o desejo de toda a equipe. Eles começaram replicando ligas de zircônio existentes (Zr-2 e Zr-4) do exterior. Experimentos diurnos os levaram ao laboratório, onde mergulharam no mundo microscópico dos materiais nucleares sob microscópios eletrônicos. As noites foram passadas em casa analisando dados experimentais e pesquisando diversos materiais técnicos de todo o mundo. Eles conduziram uma série de testes usando diversas proporções, tempos de fundição, temperaturas, campos elétricos e campos magnéticos. Eles analisaram meticulosamente as propriedades sensoriais, físicas e químicas das amostras de teste resultantes. Ao longo de vários anos, eles selecionaram mais de 40 fórmulas composicionais de uma ampla gama de sistemas de ligas de zircônio. Em seguida, analisaram, selecionaram, fundiram e testaram cada uma delas, selecionando 25 ligas candidatas. A partir delas, identificaram duas novas ligas de zircônio e alcançaram com sucesso a produção experimental em média escala.

Uma equipe de pesquisa foi criada para identificar avanços em inovação estrutural.

O projeto estrutural é uma das etapas mais cruciais em P&D de conjuntos de combustível. Problemas nesse projeto podem impactar a análise e a previsão subsequentes do desempenho do conjunto de combustível, a fabricação do conjunto de combustível, os testes de desempenho fora da pilha e os testes de irradiação na pilha, potencialmente comprometendo o sucesso de todo o esforço de P&D.

Para enfrentar os desafios do projeto estrutural inovador de conjuntos de combustível e superar os bloqueios de propriedade intelectual estrangeira e as restrições impostas por acordos de transferência de tecnologia, eles criaram uma equipe de pesquisa em projeto estrutural de conjuntos de combustível. Trabalharam incansavelmente dia e noite para identificar avanços no projeto estrutural, estabelecendo as bases para projetos inovadores. Por um lado, eles revisaram rapidamente mais de 60 patentes relacionadas ao projeto estrutural de conjuntos de combustível depositadas na China por países desenvolvidos com armas nucleares, esclareceram o escopo dessas patentes e propuseram um plano de desenvolvimento para conjuntos de combustível independentes com base no estado atual da tecnologia de projeto e fabricação de conjuntos de combustível para reatores de água pressurizada da China. Por outro lado, com base nos requisitos técnicos para a queima do conjunto de combustível, termo-hidráulica e resistência sísmica, e analisando as funções dos principais componentes do conjunto de combustível, eles identificaram avanços em inovação estrutural, como a adoção de uma estrutura "tubo dentro de tubo" para os tubos-guia e um projeto anti-engate para a estrutura de posicionamento. Os corredores dos escritórios eram frequentemente bem iluminados, enquanto os membros da equipe de pesquisa trabalhavam horas extras, acumulando uma riqueza de dados em primeira mão.

Reunindo Sabedoria e Talento para Inovação e Criação

Como conjuntos de combustível independentes podem ser desenvolvidos de forma segura, eficiente e inovadora? Diante de inúmeros desafios técnicos, incluindo a dificuldade em controlar os riscos de irradiação durante a irradiação no núcleo, um sistema de padrões e especificações incompleto, a dificuldade em reconfigurar cenários de aplicação no núcleo, deficiências na tecnologia de testes fora do núcleo, dificuldades com múltiplas inspeções de irradiação restrita e a falta de uma avaliação rápida de segurança, a equipe acredita ser necessário estabelecer um processo padronizado para todo o processo de P&D e aplicação independentes de conjuntos de combustível, aprimorar as principais capacidades técnicas para a avaliação independente da segurança dos conjuntos de combustível e preencher a lacuna na pesquisa e desenvolvimento independentes de conjuntos de combustível para reatores de água pressurizada comerciais em larga escala.

Com o forte apoio dos ministérios e comissões nacionais relevantes, a equipe, alavancando os principais programas de P&D do Ministério da Ciência e Tecnologia, projetos de desenvolvimento de energia nuclear da Administração Estatal de Ciência, Tecnologia e Indústria para a Defesa Nacional, grandes projetos de ciência e tecnologia da Administração Nacional de Energia e projetos de pesquisa do Ministério da Ecologia e Meio Ambiente e da Administração Nacional de Segurança Nuclear, conduziu pesquisas aprofundadas em cinco projetos de pesquisa de nível nacional e mais de dez projetos de pesquisa de nível de grupo. A equipe colaborou com mais de dez instituições e estabeleceu um sistema abrangente, amplamente aplicável e inclusivo de padrões e especificações para a integração segura de conjuntos de combustível de reatores de água pressurizada (PWR) em reatores, fornecendo uma base regulatória para a integração segura de conjuntos de combustível produzidos internamente na China em reatores.

O sistema regulatório de segurança nuclear existente na China já inclui requisitos gerais para conjuntos de combustível PWR, mas carece de documentos de orientação específicos para a realização de revisões de segurança nuclear para o desenvolvimento de conjuntos de combustível e aplicações de engenharia. Na ausência de sistemas regulatórios e de padrões chineses relevantes, a equipe conduziu extensas pesquisas, análises, aplicações práticas e pesquisas técnicas sobre centenas de tópicos técnicos envolvidos no desenvolvimento de conjuntos de combustível produzidos internamente, incluindo testes de desempenho de materiais, testes de componentes e componentes, estabelecimento de benchmarks de projeto de desempenho de combustível e critérios de aceitação, análise e avaliação de desempenho de combustível e inspeções pós-irradiação. Após mais de uma década de revisões e pesquisas técnicas, mais de 30 relatórios técnicos foram concluídos, formando gradualmente um conjunto de resultados de pesquisa para orientar a irradiação em processo e a aplicação de conjuntos de combustível de reatores de água pressurizada comerciais independentes. Esta pesquisa identificou 11 testes em andamento para materiais de revestimento, 6 testes em andamento para materiais de tubo guia e grade, 20 testes de componentes e desempenho geral de conjuntos de combustível, 11 itens de inspeção pós-irradiação à beira da piscina, 19 itens de inspeção pós-irradiação de células quentes, 20 benchmarks de projeto, 28 descrições de características de projeto e avaliações de segurança para interfaces afetadas. As "Diretrizes para a Revisão de Conjuntos de Combustível Nuclear para Usinas Nucleares com Reator de Água Pressurizada" foram compiladas para padronizar e orientar o desenvolvimento, a aplicação de engenharia e a revisão de segurança nuclear de conjuntos de combustível para testes piloto de irradiação em usinas nucleares alvo na China. Esta diretriz resume de forma abrangente e sistemática os requisitos regulatórios e padrão para conjuntos de combustível na China pela primeira vez. O projeto estabelece parâmetros de referência para testes piloto e produção em massa de conjuntos de combustível desenvolvidos internamente, fornece orientação técnica direcionada para projeto e revisão e estabelece um sistema unificado e padronizado de avaliação de segurança de conjuntos de combustível, fornecendo uma base regulatória eficaz para a irradiação de reatores e a aplicação de engenharia dos conjuntos de combustível nuclear desenvolvidos internamente pela China. Questões específicas, como métodos de teste e métodos de avaliação, exigem o desenvolvimento de documentos padrão mais específicos, como padrões da indústria, padrões empresariais e relatórios técnicos. Com o apoio de importantes programas nacionais de P&D, projetos de desenvolvimento de energia nuclear e importantes projetos nacionais de ciência e tecnologia, a equipe compilou uma série de documentos padrão, incluindo requisitos experimentais para a densidade crítica do fluxo de calor de conjuntos de combustível de usinas nucleares de reatores de água pressurizada (PWR) e métodos de teste para propriedades mecânicas de grades de conjuntos de combustível PWR, para orientar a implementação da irradiação de reatores e a aplicação de engenharia de conjuntos de combustível desenvolvidos internamente.

A energia nuclear tornou-se a fonte de energia de base mais importante para a transformação da estrutura energética da China e para o alcance de seus objetivos estratégicos de "carbono duplo". Com o rápido crescimento das unidades de energia nuclear da China, o desenvolvimento e a aplicação de conjuntos de combustível desenvolvidos internamente são essenciais para abordar os riscos de gargalo e garantir a independência e o controle da cadeia de fornecimento de combustível nuclear da China. A equipe do projeto estabeleceu um sistema de especificação padrão para o carregamento de conjuntos de combustível produzidos internamente em reatores, alcançando avanços em tecnologias-chave, como o mapeamento do desempenho do conjunto de combustível em processo para um sistema de teste e verificação fora do processo, e a avaliação rápida da segurança do carregamento do conjunto de combustível. Isso estabeleceu um caminho padronizado para todo o processo de desenvolvimento e aplicação de conjuntos de combustível produzidos internamente. Apoiado pelas descobertas da pesquisa do projeto, nenhum combustível produzido internamente foi danificado, garantindo a segurança nuclear durante o carregamento e a irradiação, ao mesmo tempo em que promoveu o desenvolvimento eficiente de conjuntos de combustível produzidos internamente. Isso estabeleceu uma base técnica sólida para apoiar a globalização da energia nuclear de terceira geração produzida internamente, salvaguardando a segurança nuclear e o meio ambiente ecológico, e gerando benefícios sociais significativos. As descobertas do projeto podem ser aplicadas em toda a indústria a todos os aspectos dos testes de irradiação em processo e da implantação em massa de conjuntos de combustível produzidos internamente (análise de segurança, desenvolvimento de materiais, testes fora do processo, testes em processo, inspeção pós-irradiação, análise computacional e avaliação), e também podem orientar a avaliação de segurança de carregamento de outros novos conjuntos de combustível na China. As conquistas do projeto tornaram-se gradualmente uma referência para o desenvolvimento de combustível nuclear doméstico, estabelecendo um exemplo positivo no desenvolvimento de combustível comercial para reatores de água pressurizada e orientando o estabelecimento de sistemas de especificação padrão para elementos combustíveis em outros novos reatores.