Quando as pessoas pensam em usinas nucleares, seus primeiros pensamentos muitas vezes se voltam para estruturas massivas, como vasos de contenção, vasos de pressão de reatores e geradores de vapor. No entanto, os componentes verdadeiramente críticos são, na verdade, aquelas modestas “pequenas hastes” localizadas nas profundezas do núcleo do reator.
Esses itens são conhecidos como barras de combustível nuclear. Cada haste mede apenas cerca de três a quatro metros de comprimento, -aproximadamente a espessura de um dedo humano. No entanto, uma única destas hastes discretas gera energia suficiente para abastecer uma casa média durante décadas.
Usina Nuclear de Rostov, na Rússia, começa a testar conjuntos avançados de combustível
O combustível nuclear não pode ser usado diretamente do solo
Muitas pessoas presumem que o combustível nuclear é como o carvão,-algo que pode ser extraído da terra e queimado imediatamente. Este não é absolutamente o caso.
O minério de urânio natural contém principalmente dois isótopos: Urânio-238 e Urânio-235. O isótopo capaz de sofrer fissão nuclear é o Urânio-235; no entanto, representa menos de 1% do urânio natural. O restante consiste inteiramente em urânio-238, que não pode ser usado diretamente como combustível.
É como querer comer sementes de girassol: você pode ter um saco inteiro de sementes, mas apenas algumas contêm grãos comestíveis, enquanto o resto é apenas casca.
Conseqüentemente, depois que o minério de urânio é extraído da mina, ele deve passar por uma série complexa de processos: britagem, moagem, lixiviação, extração, precipitação, enriquecimento e muito mais-nenhuma das quais são tarefas simples. A etapa de enriquecimento, em particular, requer o uso de centrífugas de alta-velocidade para separar o Urânio-235 do Urânio-238, duas substâncias que são fisicamente quase idênticas. Esta é uma tecnologia sofisticada que apenas um punhado de nações em todo o mundo domina totalmente.
Indústria de urânio da China consegue um forte início para iniciativas importantes
Combustível para reatores de água pressurizada lembra "lápis de energia"
Atualmente, a grande maioria das usinas nucleares em todo o mundo utiliza reatores de água pressurizada (PWRs). O principal combustível nuclear usado nesses reatores é o dióxido de urânio.
O dióxido de urânio é um material cerâmico. Ele é prensado em pequenos pellets cilíndricos-cada um com aproximadamente o tamanho de uma pílula medicinal, com diâmetro de cerca de um centímetro e altura ligeiramente superior a um centímetro. Esses pequenos cilindros são conhecidos como “pelotas” de combustível nuclear.
Um método e processo para preparar dióxido de urânio
Esses pellets são então carregados em um tubo de metal fino e alongado. Este tubo não é feito de metal comum, mas sim de uma liga de zircônio. A liga de zircônio possui uma propriedade particularmente notável: absorve poucos nêutrons. É essencial que os nêutrons passem através do material do tubo com absorção mínima para que possam atingir os átomos de urânio-235, sustentando assim a reação de fissão nuclear. Se um material diferente-com forte capacidade de absorção de nêutrons fosse usado, o reator não funcionaria.
As paredes desses tubos de liga de zircônio têm apenas alguns décimos de milímetro de espessura-mais finas, na verdade, do que um cartão bancário padrão. No entanto, eles devem suportar as condições extremas dentro do reator: temperaturas superiores a 300 graus, pressões superiores a 100 atmosferas e o bombardeio implacável e de longo prazo de nêutrons. O processo de fabricação exige uma precisão tão extraordinária que, na China, o número de empresas capazes de executá-lo pode ser contado nos dedos de uma mão.
Uma única barra de combustível consiste em centenas de pellets de combustível empilhados uns sobre os outros.
O processo de carregamento é semelhante a enfiar frutas cristalizadas em um espeto.
Primeiro, pelotas de dióxido de urânio são inseridas uma a uma nos tubos de liga de zircônio; um único tubo pode acomodar aproximadamente 300 pellets. Os pellets não podem ser colocados em contacto direto uns com os outros; deve ser deixado um pequeno espaço entre eles, pois os pellets se expandirão durante a reação nuclear. As extremidades do tubo são então hermeticamente seladas com tampões por meio de soldagem, e o interior é preenchido com gás hélio. O hélio possui excelente condutividade térmica, facilitando a transferência do calor gerado pelos pellets do interior do tubo para o ambiente externo.
Desta forma, uma única barra de combustível é completada.
No entanto, um reator nuclear não requer apenas uma ou duas barras de combustível-nem mesmo uma ou duzentas. Tomando como exemplo um reator de água pressurizada (PWR) doméstico típico de classe de um milhão de{2}}quilowatts-, o núcleo do reator deve abrigar entre 40.000 e 50.000 barras de combustível.
É logisticamente impossível inserir 40.000 a 50.000 varetas individualmente; tal método consumiria muito-tempo e impediria a fixação estrutural adequada. Conseqüentemente, na prática da engenharia, essas hastes são montadas em “conjuntos de combustível”.
Um conjunto de combustível normalmente assume a seguinte forma: um conjunto de mais de 200 barras de combustível é unido-incorporando placas das extremidades superior e inferior, bem como grades espaçadoras-para formar um conjunto retilíneo e organizado. As grades espaçadoras são componentes particularmente críticos; eles ancoram firmemente as mais de 200 hastes em suas posições precisas e designadas, enquanto mantêm intervalos mínimos entre as hastes para garantir o fluxo desimpedido da água de resfriamento.
Um único núcleo de reator normalmente acomoda mais de 150 desses conjuntos de combustível.
Análise de pesquisa e simulação de desgaste por atrito em conjuntos de combustível
Precisão de fabricação compatível com os padrões aeroespaciais
Muitas pessoas presumem que a fabricação de combustível nuclear envolve nada mais do que simples usinagem e montagem; na realidade, porém, os requisitos de precisão são surpreendentemente elevados.
Consideremos as grades espaçadoras, por exemplo: elas apresentam milhares de molas e saliências, cuja tolerância dimensional deve ser controlada dentro da magnitude da espessura de um fio de cabelo humano. Se estivesse ligeiramente deslocado, as forças de apoio nas barras de combustível teriam sido desiguais; ao longo da operação-de longo prazo, isso pode ter causado deformação e vibração.
Depois, há a questão de controlar a densidade dos pellets de combustível. Pelotas de dióxido de urânio devem ser prensadas até uma densidade suficiente-mas não *muito* densas. Se a densidade for muito baixa, a eficiência da reação nuclear será prejudicada; se for muito alto, não há espaço suficiente para expansão sob irradiação, o que pode causar rachaduras no revestimento. Esta faixa “perfeita” é extremamente estreita, exigindo processos de fabricação altamente maduros para garantir uma produção estável.
**A maior linha de produção do nosso país para conjuntos de combustível de reatores de água pressurizada: para onde flui a paixão da época**
Da perspectiva da manufatura avançada, a fabricação de combustível nuclear é, em essência, uma integração-de ponta de diversas disciplinas. Metalurgia do pó, usinagem de precisão, soldagem especializada, testes não{2}}destrutivos-cada estágio individual representa o auge da excelência tecnológica.
**Para onde vai o combustível gasto?**
O combustível nuclear normalmente permanece em um reator por três a cinco ciclos, com cada ciclo durando aproximadamente dezoito meses. Durante este período, o Urânio-235 é gradualmente consumido, enquanto novos nuclídeos, como o Plutônio-239, são gerados simultaneamente. Uma vez esgotado o potencial energético, este combustível torna-se o que é conhecido como “combustível irradiado”.
O combustível irradiado não é desperdício. Ele ainda contém urânio -235 não queimado, bem como plutônio-239 recém-gerado - ambos recursos nucleares valiosos. Internacionalmente, algumas nações envolvem-se no reprocessamento para recuperar e reutilizar estes materiais. O nosso país também está a seguir uma abordagem de “ciclo fechado”: extrair os componentes úteis do combustível irradiado para fabricar novos conjuntos de combustível.
**Tanques de transporte de combustível irradiado produzidos internamente definidos para quebrar o monopólio estrangeiro: o protótipo passa no teste de aceitação e está pronto para produção em massa**
**Uma pergunta que vale a pena ponderar**
Enquanto escrevo isto, ocorre-me um pensamento: a procura global de novo combustível nuclear ascende a dezenas de milhares de toneladas anualmente; ainda assim, quando se trata de componentes principais-como tubos de liga de zircônio de alta-precisão e grades espaçadoras de alto-desempenho-apenas alguns países possuem a capacidade de fabricá-los.
Ao longo dos últimos anos, as nossas capacidades internas avançaram rapidamente; passamos de ser totalmente dependentes de importações para sermos capazes de fabricar nós mesmos a maioria desses componentes. No entanto, para determinados tipos específicos de ligas de zircônio-bem como para determinados tipos de equipamentos de inspeção-ainda precisamos adquiri-los no exterior.
Sempre acreditei que, no domínio da fabricação de combustível nuclear, o determinante final do sucesso é a base subjacente de uma nação nas indústrias básicas. Sem técnicas superiores de metalurgia do pó, a qualidade dos pellets de combustível não pode ser elevada; sem capacidades de usinagem de alta-precisão, as grades de posicionamento não podem atender aos padrões exigidos; e sem um sistema de gestão de qualidade rigoroso, os componentes não podem sequer ser autorizados para instalação num reactor nuclear.
Em última análise, a competitividade central da produção avançada não reside apenas na capacidade de produzir um componente específico, mas sim na capacidade de integrar plenamente toda a cadeia industrial e garantir o seu funcionamento estável e fiável.
