Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um combustível nuclear de alta densidade e baixo enriquecimento com base na liga ?-UMo, para aplicações nas quais seja necessário desempenho satisfatório a altas temperaturas, considerando-se a sua utilização na forma de dispersão. Para tanto, partiu-se da análise dos resultados dos testes RERTR (sigla em inglês para \"Reduced Enrichment of Research and Test Reactors\") e de alguns trabalhos teóricos envolvendo a elaboração de ligas metaestáveis de ?-urânio. Uma adição ternária é proposta, com base em propriedades de ligas binárias e ternárias de urânio-molibdênio estudadas, e que teve como objetivos um aumento na estabilidade da fase gama do urânio e a facilidade na obtenção dos pós. Assim, as ligas de urânio-molibdênio foram preparadas com adições de Mo de 5 a 10% em peso, e adição de 1 e 3% de elemento ternário (o silício), sobre uma liga base binária de U7Mo. Em todas as fases do processo de preparação, as ligas foram caracterizadas pelas técnicas tradicionais, para determinação de suas propriedades estruturais e mecânicas. Para a elaboração de um processo para a obtenção de pós destas ligas, o seu comportamento sob atmosfera de hidrogênio foi estudado em equipamento de análise térmica e gravimétrica diferencial. Temperaturas variaram da ambiente a 1000oC, por tempos de 15 minutos a 16 horas. A validação destes resultados foi feita em escala semi-piloto, na qual quantidades de 10 a 50g de pós de algumas das ligas foram preparados, sob atmosfera estática de hidrogênio. Os estudos de compatibilidade foram conduzidos expondo-se as ligas à atmosfera de oxigênio e ao contato com alumínio, para a verificação de possíveis reações por meio de análise térmica diferencial. As ligas foram submetidas a aquecimento constante até temperatura de 1000oC, e seu desempenho foi avaliado quanto a maior resistência à reação. 6 Com base nestes resultados, observou-se que as adições ternárias aumentam as temperaturas para a oxidação das ligas e reação com alumínio frente aos binários ?UMo. Um conjunto de condições para hidretação das ligas e fabricação dos pós foi estabelecido, tanto mais restritivos em termos de tempo, temperatura e necessidade de pré-tratamentos quanto mais estável a estrutura ?. Com a adição de ternário em pequeno excesso e formação de fase intergranular, mostrou-se que um aumento na estabilidade não prejudica a formação dos pós. / This work has as its objective the development of a high density and low enriched nuclear fuel based on the ?-UMo alloys, for utilization where it is necessary satisfactory behavior in high temperatures, considering its utilization as dispersion. For its accomplishment, it was started from the analysis of the RERTR (\"Reduced Enrichment for Research and Test Reactors\") results and some theoretical works involving the fabrication of ?-uranium metastable alloys. A ternary addition is proposed, supported by the properties of binary and ternary uranium alloys studied, having the objectives of the gamma stability enhancement and an ease to its powder fabrication. Alloys of uranium-molybdenum were prepared with 5 to 10% Mo addition, and 1 and 3% of ternary, over a ?U7Mo binary base alloy. In all the steps of its preparation, the alloys were characterized with the traditional techniques, to the determination of its mechanical and structural properties. To provide a process for the alloys powder obtention, its behavior under hydrogen atmosphere were studied, in thermoanalyser-thermogravimeter equipment. Temperatures varied from the ambient up to 1000oC, and times from 15 minutes to 16 hours. The results validation were made in a semi-pilot scale, where 10 to 50g of powders of some of the alloys studied were prepared, under static hydrogen atmosphere. Compatibility studies were conducted by the exposure of the alloys under oxygen and aluminum, to the verification of possible reactions by means of differential thermal analysis. The alloys were exposed to a constant heat up to 1000oC, and their performances were evaluated in terms of their reaction resistance. On the basis of the results, it was observed that ternary additions increases the temperatures of the reaction with aluminum and oxydation, in comparision with the ?UMo binaries. A set of conditions to the hydration of the alloys were defined, more restrictive in terms of temperature, time and pre-treatment to stabilize the gamma structure. The addition 8 of a bit low ternary excess and formation of an intergranular phase, the increase in stability, it was demonstrated that there is not a damage in the formation of their powders.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um combustível nuclear de alta densidade e baixo enriquecimento com base na liga ?-UMo, para aplicações nas quais seja necessário desempenho satisfatório a altas temperaturas, considerando-se a sua utilização na forma de dispersão. Para tanto, partiu-se da análise dos resultados dos testes RERTR (sigla em inglês para \"Reduced Enrichment of Research and Test Reactors\") e de alguns trabalhos teóricos envolvendo a elaboração de ligas metaestáveis de ?-urânio. Uma adição ternária é proposta, com base em propriedades de ligas binárias e ternárias de urânio-molibdênio estudadas, e que teve como objetivos um aumento na estabilidade da fase gama do urânio e a facilidade na obtenção dos pós. Assim, as ligas de urânio-molibdênio foram preparadas com adições de Mo de 5 a 10% em peso, e adição de 1 e 3% de elemento ternário (o silício), sobre uma liga base binária de U7Mo. Em todas as fases do processo de preparação, as ligas foram caracterizadas pelas técnicas tradicionais, para determinação de suas propriedades estruturais e mecânicas. Para a elaboração de um processo para a obtenção de pós destas ligas, o seu comportamento sob atmosfera de hidrogênio foi estudado em equipamento de análise térmica e gravimétrica diferencial. Temperaturas variaram da ambiente a 1000oC, por tempos de 15 minutos a 16 horas. A validação destes resultados foi feita em escala semi-piloto, na qual quantidades de 10 a 50g de pós de algumas das ligas foram preparados, sob atmosfera estática de hidrogênio. Os estudos de compatibilidade foram conduzidos expondo-se as ligas à atmosfera de oxigênio e ao contato com alumínio, para a verificação de possíveis reações por meio de análise térmica diferencial. As ligas foram submetidas a aquecimento constante até temperatura de 1000oC, e seu desempenho foi avaliado quanto a maior resistência à reação. 6 Com base nestes resultados, observou-se que as adições ternárias aumentam as temperaturas para a oxidação das ligas e reação com alumínio frente aos binários ?UMo. Um conjunto de condições para hidretação das ligas e fabricação dos pós foi estabelecido, tanto mais restritivos em termos de tempo, temperatura e necessidade de pré-tratamentos quanto mais estável a estrutura ?. Com a adição de ternário em pequeno excesso e formação de fase intergranular, mostrou-se que um aumento na estabilidade não prejudica a formação dos pós. / This work has as its objective the development of a high density and low enriched nuclear fuel based on the ?-UMo alloys, for utilization where it is necessary satisfactory behavior in high temperatures, considering its utilization as dispersion. For its accomplishment, it was started from the analysis of the RERTR (\"Reduced Enrichment for Research and Test Reactors\") results and some theoretical works involving the fabrication of ?-uranium metastable alloys. A ternary addition is proposed, supported by the properties of binary and ternary uranium alloys studied, having the objectives of the gamma stability enhancement and an ease to its powder fabrication. Alloys of uranium-molybdenum were prepared with 5 to 10% Mo addition, and 1 and 3% of ternary, over a ?U7Mo binary base alloy. In all the steps of its preparation, the alloys were characterized with the traditional techniques, to the determination of its mechanical and structural properties. To provide a process for the alloys powder obtention, its behavior under hydrogen atmosphere were studied, in thermoanalyser-thermogravimeter equipment. Temperatures varied from the ambient up to 1000oC, and times from 15 minutes to 16 hours. The results validation were made in a semi-pilot scale, where 10 to 50g of powders of some of the alloys studied were prepared, under static hydrogen atmosphere. Compatibility studies were conducted by the exposure of the alloys under oxygen and aluminum, to the verification of possible reactions by means of differential thermal analysis. The alloys were exposed to a constant heat up to 1000oC, and their performances were evaluated in terms of their reaction resistance. On the basis of the results, it was observed that ternary additions increases the temperatures of the reaction with aluminum and oxydation, in comparision with the ?UMo binaries. A set of conditions to the hydration of the alloys were defined, more restrictive in terms of temperature, time and pre-treatment to stabilize the gamma structure. The addition 8 of a bit low ternary excess and formation of an intergranular phase, the increase in stability, it was demonstrated that there is not a damage in the formation of their powders.

Orientador: Prof. Dr. Sydney Ferreira Santos / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados, 2015. / Combustiveis nucleares baseados em materiais compositos obtidos pela dispersao de ligas de uranio em matrizes metalicas sao alternativas interessantes para o avanco da tecnologia de geracao nucleoeletrica. Ligas de U-Mo tem grande potencial para serem utilizadas como elemento combustivel nos combustiveis tipo placa e as ligas de zirconio, como o zircaloy-4, como material de matriz e revestimento. A fase ¿Á do uranio e isotropica e garante estabilidade mecanica e termica ao uranio em diferentes condicoes de operacao, mas essa fase apenas e estavel em altas temperaturas. A adicao de molibdenio tem se mostrado eficiente na estabilizacao dessa fase em baixa temperatura e o zircaloy-4 possui caracteristicas interessantes para a industria nuclear, tais como alto ponto de fusao, alta condutividade termica e baixa secao de choque de absorcao de neutrons. No presente trabalho, foram estudadas rotas para a obtencao de pos de Zircaloy-4, sendo esta uma etapa muito importante para a fabricacao de compositos de combustivel nuclear tipo placa. Estudou-se tambem sintese de ligas de U-Mo, com estruturas ¿Á por rotas de fusao, sendo investigadas as composicoes U-7%Mo, U-8,5%Mo e U-10%Mo. Essas ligas foram fundidas em um forno a arco e de inducao e tratadas termicamente para a estabilizacao da fase ¿Á. Os resultados obtidos mostraram que independente do processo de fusao e da composicao das ligas, e necessario um tratamento termico para a dissolucao das dendritas e homogeneizacao das ligas. O tratamento termico seguido de tempera se mostrou eficiente para a estabilizacao completa da fase ¿Á para as ligas com adicao de apenas 7% em peso de molibdenio. Por outro lado, o tratamento termico seguido de resfriamento lento conseguiu estabilizar a fase ¿Á apenas nas ligas com 10% em peso de molibdenio. As ligas com 7% e 8,5% de Mo que sofreram um resfriamento lento apresentavam uma fracao de fase ¿¿. Quanto a obtencao de pos de zircaloy, esta pode ser realizada atraves da tecnica de hidretacao, cominuicao e desidretacao. A cinetica de absorcao e desorcao de hidrogenio apresentou melhores resultados nas amostras laminadas a frio antes do processo de hidretacao. O tempo de absorcao de hidrogenio das amostras como recebida (770 segundos) e apos (18 segundos) diminuiu 96,75% quando hidretadas a 450 ¿C e 1000kP de H2. A temperatura de desorcao do hidrogenio das amostras hidretadas passou de 1000 ¿C para as amostras como recebida para 850 ¿C para as amostras apos 25 passes. Alem disso, o processo de moagem de alta energia tambem se mostrou eficaz para a producao de pos de hidreto. Os resultados e discussoes contidos nesta tese sao importantes para demonstrar a viabilidade de diversas rotas de obtencao de materiais metalicos utilizados na producao de combustiveis nucleares tipo placa. / Nuclear fuels based on composite materials obtained by dispersion of uranium alloys in metal matrices are interesting alternatives to the improvement of the nuclear energy generation technology. U-Mo alloys have great potential to be used as fuel element in dispersion fuels and zirconium alloys, such as zircaloy-4, as coating and matrix material. The ã-U phase is isotropic and provides mechanical and thermal stability to the uranium in different operating conditions, but it is only stable at high temperatures. The addition of molybdenum has been considered effective for the stabilization of this phase at low temperatures while the zircaloy-4 has interesting features for the nuclear industry, such as high melting point, high thermal conductivity and low neutron absorption cross section. In this present work several routes for obtaining zircaloy-4 powder were investigated, which is a very important step for the production of plate type nuclear fuels. It was also studied the synthesis of U-Mo alloys by melting techniques. The investigated alloys have the following compositions: U-7% Mo, U-8,5% Mo and U-10% Mo. These alloys were prepared by arc and induction melting followed by heat treatments aiming to stabilize the ã phase. The results showed that regardless the melting process and alloy composition, annealing at high temperature is required for the dissolution of dendrites and homogenization of the alloy. The complete stabilization of the ã phase was achieved to the alloy with 7% Mo heat treated by annealing and quenching. The alloys with 7% and 8,5% Mo subject to slow cooling after the annealing showed of the presence of á phase into their microstructures. On the obtaining of zircaloy powder, it could be accomplished by hydriding, comminution and dehydriding techniques. Hydriding kinetics of zircaloy was faster for cold rolled samples. Cold rolling was also effective for reducing the temperature of hydride decomposition. Moreover, the high-energy ball milling process also proved effectiveness for the production of powder hydride. The results and discussions of this thesis are important to shed some light on the feasibility of the investigated processing routes for producing the metallic materials necessary to the fabrication of plate type nuclear fuels.

Nenhuma / Phase transformations in U-Mo alloys, in the as-cast condition, with Mo additions of 5, 7 to 10 wt.%, were investigated by performing artificial aging heat treatments at temperatures of 300 to 500 C. The use of scanning electronic microscopy with field emission gun and electrostatic force microscopy, in combination with conventional microstructural characterization techniques, allowed the detailed description of the microstructure in terms of the constitution and morphology of the transformation product phases which had not yet been reported for U-Mo alloys. The dendritic structure of the as-cast condition was characterized by the presence of molybdenum segregation, which was evidenced by the variation of the Mo content around the nominal composition of the alloys, between the centre and boundaries of the dendrites. The influence of Mo segregation was observed after the artificial ageing heat treatments carried out at both temperatures. Segregated regions with Mo contents below 6.3% presented twinned microstructures, associated with diffuse X-ray diffraction patterns and a remarkable hardening related to disorder-order transformation type, after aging at 300 oC. When submitted to ageing at 500 C, such Mo contents lead to a complete decomposition of the phase or its o variant into a non-lamellar constituent composed by the gamma and alpha phases with microhardness above 580 HV. The heterogeneous nucleation of a lamellar constituent, whose morphology is typical of the divergent discontinuous precipitation mechanism, reported for U-Nb alloys, was responsible for the consumption of the non-lamellar constituent with the extension of the ageing heat treatment. Mo contents between 6.3 and 8.0% determined the absence of twinned morphology after ageing at 300 C, showing a hardening effect only for the 240 hours treatment, as a result of the disorder-order reaction. The cellular decomposition of the phase in these regions took place after ageing at 500 C. A two-phase and alpha e gamma constituent with lamellar morphology and a typical hardness of 450 HV was observed. In the case of the U-10Mo alloy, three transformation mechanisms were observed after ageing at 500 C, as a result of Mo segregation. The lamellar constituent was found in the dendrites boundaries whose Mo contents ranged between 7.4 and 8.6%. For the intermediate portions between the center and the dendrites boundaries, known as interdendritic region, where Mo contents between 8.6 and 10.2% were found, there was no decomposition of the gamma phase in the early stages of aging while the precipitation of the gamma phase, with acicular or Widmanstätten morphology, was noticed in the central portion of the dendrites, with Mo contents ranging from 10.2 to 12.0%. This observation is an evidence that the ability to stabilize the phase provided by the Mo, passes through a maximum and corresponds to the eutectoid composition of U-Mo system, unlike previous reports in the literature which relate a delay in the onset of phase decomposition even for Mo contents higher than 10%.