O IPEN-CNEN/SP produz o combustível para suprir o seu reator nuclear de pesquisas IEA-R1. O combustível é montado a partir de placas combustíveis contendo um núcleo do compósito U3Si2-Al. Uma boa homogeneidade na distribuição de urânio no núcleo da placa combustível é essencial, pois garante um bom desempenho sob irradiação. Considerando a baixa potência do reator IEA-R1, atualmente, a distribuição de urânio na placa combustível é avaliada apenas por meio de inspeção visual de radiografias. Contudo, tendo em vista a possibilidade do IPEN fabricar o combustível para o novo Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), que terá potência elevada, tornou-se inadiável o desenvolvimento de uma metodologia para determinar quantitativamente a homogeneidade da distribuição de urânio no combustível. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na atenuação de raios X para quantificar a distribuição da concentração de urânio no núcleo da placa combustível, por meio da análise da densidade óptica de radiografias e comparação com padrões. Os resultados demonstraram a não aplicabilidade do método, considerando a especificação atual para as placas combustíveis, devido ao alto valor do erro intrínseco ao método. Contudo, o estudo dos erros envolvidos na metodologia, buscando aumentar a sua exatidão e precisão, pode viabilizar a aplicação do método para qualificar o produto final. / IPEN/CNEN-SP produces the fuel to supply its nuclear research reactor IEA-R1. The fuel is assembled with fuel plates containing an U3Si2-Al composite meat. A good homogeneity in the uranium distribution inside the fuel plate meat is important from the standpoint of irradiation performance. Considering the lower power of reactor IEA-R1, the uranium distribution in the fuel plate has been evaluated only by visual inspection of radiographs. However, with the possibility of IPEN to manufacture the fuel for the new Brazilian Multipurpose Reactor (RMB), with higher power, it urges to develop a methodology to determine quantitatively the uranium distribution into the fuel. This paper presents a methodology based on X-ray attenuation, in order to quantify the uranium concentration distribution in the meat of the fuel plate by using optical densities in radiographs and comparison with standards. The results demonstrated the inapplicability of the method, considering the current specification for the fuel plates due to the high intrinsic error to the method. However, the study of the errors involved in the methodology, seeking to increase their accuracy and precision, can enable the application of the method to qualify the final product.

O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP atualmente produz rotineiramente o combustível nuclear necessário para a operação de seu reator de pesquisas IEA-R1. Esse combustível é formado por placas combustíveis contendo núcleos de compósitos U3Si2-Al, obtidas por laminação. O processo de laminação atualmente implantado foi desenvolvido com base em informações obtidas na literatura, as quais foram usadas como premissas para a definição dos atuais procedimentos de fabricação, segundo uma metodologia de caráter essencialmente empírico. Apesar do processo de laminação atual estar perfeitamente estável e reprodutível, ele não é totalmente conhecido. O objetivo deste trabalho é caracterizar o processo de laminação de placas combustíveis adotado pelo IPEN, especificamente no que se refere à evolução dos parâmetros dimensionais da placa combustível em função da sua deformação no processo de laminação. Estão apresentados resultados da evolução das espessuras do núcleo e revestimentos da placa combustível ao longo da sua deformação, assim como dos defeitos terminais, microestrutura e porosidade do núcleo. / The Nuclear and Energy Research Institute - IPEN-CNEN/SP produces routinely the nuclear fuel necessary for operating its research reactor, IEA-R1. This fuel consists of fuel plates containing U3Si2-Al composites as the meat, which are fabricated by rolling. The rolling process currently deployed was developed with base on information obtained from literature, which were used as premises for defining the current manufacturing procedures, according to a methodology with essentially empirical character. Despite the current rolling process to be perfectly stable and highly reproducible, it is not well characterized and therefore is not fully known. The objective of this work is to characterize the rolling process for producing fuel plates, specifically the evolution of dimensional parameters of the fuel plate as a function of its deformation in the rolling process. Results are presented in terms of the evolution of the thickness of the fuel meat and cladding of the fuel plate along the deformation, as well as the terminals defects, microstructure and porosity of the fuel meat.

O IPEN-CNEN/SP produz o combustível para suprir o seu reator nuclear de pesquisas IEA-R1. O combustível é montado a partir de placas combustíveis contendo um núcleo do compósito U3Si2-Al. Uma boa homogeneidade na distribuição de urânio no núcleo da placa combustível é essencial, pois garante um bom desempenho sob irradiação. Considerando a baixa potência do reator IEA-R1, atualmente, a distribuição de urânio na placa combustível é avaliada apenas por meio de inspeção visual de radiografias. Contudo, tendo em vista a possibilidade do IPEN fabricar o combustível para o novo Reator Multipropósito Brasileiro (RMB), que terá potência elevada, tornou-se inadiável o desenvolvimento de uma metodologia para determinar quantitativamente a homogeneidade da distribuição de urânio no combustível. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na atenuação de raios X para quantificar a distribuição da concentração de urânio no núcleo da placa combustível, por meio da análise da densidade óptica de radiografias e comparação com padrões. Os resultados demonstraram a não aplicabilidade do método, considerando a especificação atual para as placas combustíveis, devido ao alto valor do erro intrínseco ao método. Contudo, o estudo dos erros envolvidos na metodologia, buscando aumentar a sua exatidão e precisão, pode viabilizar a aplicação do método para qualificar o produto final. / IPEN/CNEN-SP produces the fuel to supply its nuclear research reactor IEA-R1. The fuel is assembled with fuel plates containing an U3Si2-Al composite meat. A good homogeneity in the uranium distribution inside the fuel plate meat is important from the standpoint of irradiation performance. Considering the lower power of reactor IEA-R1, the uranium distribution in the fuel plate has been evaluated only by visual inspection of radiographs. However, with the possibility of IPEN to manufacture the fuel for the new Brazilian Multipurpose Reactor (RMB), with higher power, it urges to develop a methodology to determine quantitatively the uranium distribution into the fuel. This paper presents a methodology based on X-ray attenuation, in order to quantify the uranium concentration distribution in the meat of the fuel plate by using optical densities in radiographs and comparison with standards. The results demonstrated the inapplicability of the method, considering the current specification for the fuel plates due to the high intrinsic error to the method. However, the study of the errors involved in the methodology, seeking to increase their accuracy and precision, can enable the application of the method to qualify the final product.

O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN-CNEN/SP atualmente produz rotineiramente o combustível nuclear necessário para a operação de seu reator de pesquisas IEA-R1. Esse combustível é formado por placas combustíveis contendo núcleos de compósitos U3Si2-Al, obtidas por laminação. O processo de laminação atualmente implantado foi desenvolvido com base em informações obtidas na literatura, as quais foram usadas como premissas para a definição dos atuais procedimentos de fabricação, segundo uma metodologia de caráter essencialmente empírico. Apesar do processo de laminação atual estar perfeitamente estável e reprodutível, ele não é totalmente conhecido. O objetivo deste trabalho é caracterizar o processo de laminação de placas combustíveis adotado pelo IPEN, especificamente no que se refere à evolução dos parâmetros dimensionais da placa combustível em função da sua deformação no processo de laminação. Estão apresentados resultados da evolução das espessuras do núcleo e revestimentos da placa combustível ao longo da sua deformação, assim como dos defeitos terminais, microestrutura e porosidade do núcleo. / The Nuclear and Energy Research Institute - IPEN-CNEN/SP produces routinely the nuclear fuel necessary for operating its research reactor, IEA-R1. This fuel consists of fuel plates containing U3Si2-Al composites as the meat, which are fabricated by rolling. The rolling process currently deployed was developed with base on information obtained from literature, which were used as premises for defining the current manufacturing procedures, according to a methodology with essentially empirical character. Despite the current rolling process to be perfectly stable and highly reproducible, it is not well characterized and therefore is not fully known. The objective of this work is to characterize the rolling process for producing fuel plates, specifically the evolution of dimensional parameters of the fuel plate as a function of its deformation in the rolling process. Results are presented in terms of the evolution of the thickness of the fuel meat and cladding of the fuel plate along the deformation, as well as the terminals defects, microstructure and porosity of the fuel meat.

Nenhuma / Uma das principais etapas na fabricação de combustíveis nucleares tipo placa, para a utilização em reatores de pesquisa e de propulsão naval, consiste no desenvolvimento de métodos e técnicas de ensaios não destrutivos para a avaliação do combustível nuclear durante a fabricação, assim como para análises do combustível pós-irradiação. Os ensaios não destrutivos podem contribuir para a detecção de descontinuidades durante as etapas de fabricação do combustível, como trincas e falhas na união entre o cerrne e o revestimento, que podem provocar a falha do combustível durante o seu uso em reatores nucleares. Métodos de ensaio como visual, radiográfico, correntes parasitas e ultra-som podem ser utilizados para essa finalidade. Neste trabalho foi abordado o uso do ensaio não destrutivo por ultra-som para a avaliação de combustíveis nucleares tipo placa. Devido às pequenas espessuras dos combustíveis tipo placa, assim como aos diferentes materiais presentes nos mesmos, foram utilizados, nos experimentos, transdutores ultra-sônicos de contato com sapatas de atraso e transdutores de imersão. Os ensaios foram realizados em um protótipo de combustível tipo placa constituído por um núcleo de UO2 disperso em uma matriz metálica de aço inoxidável, com revestimento em aço inoxidável. Neste protótipo foram usinados diferentes tipos de refletores artificiais, simulando a presença de descontinuidades naturais. Para os testes com os transdutores de imersão foi desenvolvido um dispositivo para a obtenção do perfil do feixe sônico emitido pelos mesmos, de forma a identificar a região de maior sensibilidade do feixe para o ensaio. Foram ainda fabricadas algumas lentes acústicas para a focalização do feixe, neste caso, sem sucesso. O uso dos diferentes tipos de transdutores ultra-sônicos possibilitou o estabelecimento de uma metodologia para a detecção de descontinuidades com diferentes geometrias e dimensões. O protótipo de combustível desenvolvido para os experimentos demonstrou ser adequado para estudos de sensibilidade do sistema de ensaio. / One of the most important steps in the fabrication processes of plate type nuclear fuels, intended to be used in research reactors or naval propulsion, is the development of nondestructive testing (NDT) methods and techniques for their quality assessment during fabrication and post-irradiation analysis. Those tests can contribute to detect discontinuities such as cracks and fails in meat-cladding junctions, that can lead to failures when installed and used in reactors. Examples of NDT methods that may be used for this purpose are visual inspection, radiography, eddy current and ultrasound. The objective of this study is to present the utilization of ultrasound methods to evaluate plate type nuclear fuels. Due to the small thicknesses of such kind of fuels, as well as the presence of different materials, the ultrasonic transducers used to perform the experiments were immersion type or contact with delay shims. Furthermore, a dummy plate fuel, constituted by a dispersion of UO2 in stainless steel matrix, with stainless steel cladding, was specially constructed. In the surface of such plate, several kinds of artificial reflectors, simulating the presence of natural flaws were machined. For immersion type ultrasonic transducers, a mechanical scanning system was developed to allow the determination of their sonic beam profiles and identification of the highest sensitivity beam region. Additionally, some acoustic lenses, useful to help on beam focalization, were fabricated and used, but the expected performance was not achieved. The use of different kinds of ultrasonic transducers allowed the establishing of a methodology to detect discontinuities of different geometry and sizes. The developed dummy fuel demonstrated to be adequate for the studies of sensitivity of the test system.

O IPEN-CNEN/SP desenvolveu e disponibilizou para produção rotineira a tecnologia de fabricação de elementos combustíveis tipo dispersão, para uso em reatores nucleares de pesquisas. O combustível fabricado no IPEN-CNEN/SP está limitado à concentração de urânio de 3,0gU/cm3, para dispersões a base de U3Si2-Al, e de 2,3gU/cm3, para dispersões a base de U3O8-Al. O aumento da concentração de urânio nas placas combustíveis possibilita aumentar a reatividade do núcleo do reator e a vida útil do combustível. É possível aumentar-se a concentração de urânio no combustível até o limite tecnológico de 4,8gU/cm3 para a dispersão U3Si2-Al, e de 3,2gU/cm3 para a dispersão U3O8-Al, as quais estão bem qualificadas ao redor do mundo. Este trabalho tem como objetivo desenvolver o processo de fabricação de ambos os combustíveis com alta concentração de urânio, redefinindo-se os procedimentos de fabricação atualmente adotados no Centro do Combustível Nuclear do IPEN-CNEN/SP. Com base nos resultados obtidos conclui-se que para atingir a concentração desejada devem ser feitas algumas alterações nos procedimentos já estabelecidos, tais como mudança no tamanho de partícula dos pós e mudança no processo de alimentação da matriz de compactação. Os estudos realizados mostraram que as placas combustíveis com alta concentração de urânio a base da dispersão U3Si2-Al com 4,8 gU/cm3 fabricadas atenderam às especificações vigentes. Contudo, apesar da subjetividade da análise, a aparência da microestrutura obtida no núcleo das placas combustíveis a base da dispersão U3O8-Al com 3,2 gU/cm3 não foi considerada satisfatória devido à aparência da distribuição de vazios. O novo procedimento de fabricação foi aplicado na produção de placas combustíveis de dispersão U3Si2-Al com 4,8 gU/cm3 com urânio enriquecido, as quais foram utilizadas na montagem do elemento combustível parcial IEA-228 para ser testado quanto ao desempenho sob irradiação no reator IEA-R1 do IPEN-CNEN/SP. Esses novos combustíveis têm potencial para serem utilizados no novo Reator Multipropósito Brasileiro RMB. / IPEN-CNEN/SP developed the technology to produce the dispersion type fuel elements for research reactors and made it available for routine production. Today, the fuel produced in IPEN-CNEN/SP is limited to the uranium concentration of 3.0 gU/cm3 for U3Si2-Al dispersion-based and 2.3 gU/cm3 for U3O8-Al dispersion. The increase of uranium concentration in fuel plates enables the reactivity of the reactor core reactivity to be higher and extends the fuel life. Concerning technology, it is possible to increase the uranium concentration in the fuel meat up to the limit of 4.8 gU/cm3 in U3Si2-Al dispersion and 3.2 gU/cm3 U3O8-Al dispersion. These dispersions are well qualified worldwide. This work aims to develop the manufacturing process of both fuel meats with high uranium concentrations, by redefining the manufacturing procedures currently adopted in the Nuclear Fuel Center of IPEN-CNEN/SP. Based on the results, it was concluded that to achieve the desired concentration, it is necessary to make some changes in the established procedures, such as in the particle size of the fuel powder and in the feeding process inside the matrix, before briquette pressing. These studies have also shown that the fuel plates, with a high concentration of U3Si2-Al, met the used specifications. On the other hand, the appearance of the microstructure obtained from U3O8-Al dispersion fuel plates with 3.2 gU/cm3 showed to be unsatisfactory, due to the considerably significant porosity observed. The developed fabrication procedure was applied to U3Si2 production at 4.8 gU/cm3, with enriched uranium. The produced plates were used to assemble the fuel element IEA-228, which was irradiated in order to check its performance in the IEA-R1 reactor at IPEN-CNEN/SP. These new fuels have potential to be used in the new Brazilian Multipurpose Reactor - RMB.

O IPEN-CNEN/SP desenvolveu e disponibilizou para produção rotineira a tecnologia de fabricação de elementos combustíveis tipo dispersão, para uso em reatores nucleares de pesquisas. O combustível fabricado no IPEN-CNEN/SP está limitado à concentração de urânio de 3,0gU/cm3, para dispersões a base de U3Si2-Al, e de 2,3gU/cm3, para dispersões a base de U3O8-Al. O aumento da concentração de urânio nas placas combustíveis possibilita aumentar a reatividade do núcleo do reator e a vida útil do combustível. É possível aumentar-se a concentração de urânio no combustível até o limite tecnológico de 4,8gU/cm3 para a dispersão U3Si2-Al, e de 3,2gU/cm3 para a dispersão U3O8-Al, as quais estão bem qualificadas ao redor do mundo. Este trabalho tem como objetivo desenvolver o processo de fabricação de ambos os combustíveis com alta concentração de urânio, redefinindo-se os procedimentos de fabricação atualmente adotados no Centro do Combustível Nuclear do IPEN-CNEN/SP. Com base nos resultados obtidos conclui-se que para atingir a concentração desejada devem ser feitas algumas alterações nos procedimentos já estabelecidos, tais como mudança no tamanho de partícula dos pós e mudança no processo de alimentação da matriz de compactação. Os estudos realizados mostraram que as placas combustíveis com alta concentração de urânio a base da dispersão U3Si2-Al com 4,8 gU/cm3 fabricadas atenderam às especificações vigentes. Contudo, apesar da subjetividade da análise, a aparência da microestrutura obtida no núcleo das placas combustíveis a base da dispersão U3O8-Al com 3,2 gU/cm3 não foi considerada satisfatória devido à aparência da distribuição de vazios. O novo procedimento de fabricação foi aplicado na produção de placas combustíveis de dispersão U3Si2-Al com 4,8 gU/cm3 com urânio enriquecido, as quais foram utilizadas na montagem do elemento combustível parcial IEA-228 para ser testado quanto ao desempenho sob irradiação no reator IEA-R1 do IPEN-CNEN/SP. Esses novos combustíveis têm potencial para serem utilizados no novo Reator Multipropósito Brasileiro RMB. / IPEN-CNEN/SP developed the technology to produce the dispersion type fuel elements for research reactors and made it available for routine production. Today, the fuel produced in IPEN-CNEN/SP is limited to the uranium concentration of 3.0 gU/cm3 for U3Si2-Al dispersion-based and 2.3 gU/cm3 for U3O8-Al dispersion. The increase of uranium concentration in fuel plates enables the reactivity of the reactor core reactivity to be higher and extends the fuel life. Concerning technology, it is possible to increase the uranium concentration in the fuel meat up to the limit of 4.8 gU/cm3 in U3Si2-Al dispersion and 3.2 gU/cm3 U3O8-Al dispersion. These dispersions are well qualified worldwide. This work aims to develop the manufacturing process of both fuel meats with high uranium concentrations, by redefining the manufacturing procedures currently adopted in the Nuclear Fuel Center of IPEN-CNEN/SP. Based on the results, it was concluded that to achieve the desired concentration, it is necessary to make some changes in the established procedures, such as in the particle size of the fuel powder and in the feeding process inside the matrix, before briquette pressing. These studies have also shown that the fuel plates, with a high concentration of U3Si2-Al, met the used specifications. On the other hand, the appearance of the microstructure obtained from U3O8-Al dispersion fuel plates with 3.2 gU/cm3 showed to be unsatisfactory, due to the considerably significant porosity observed. The developed fabrication procedure was applied to U3Si2 production at 4.8 gU/cm3, with enriched uranium. The produced plates were used to assemble the fuel element IEA-228, which was irradiated in order to check its performance in the IEA-R1 reactor at IPEN-CNEN/SP. These new fuels have potential to be used in the new Brazilian Multipurpose Reactor - RMB.

Nenhuma / Neste trabalho foi realizada a modelagem geométrica computacional das Cetapas de prensagem e sinterização da pastilha e da laminação da placa de combustível nuclear contendo microesferas de (Th,25%U)O2 dispersas em matriz de aço inoxidável com o objetivo de avaliar a distribuição destas microesferas nas diversas etapas do processamento. As regras de modelagem foram desenvolvidas baseadas nos parâmetros de cada etapa da fabricação da placa combustível. Para isto foram obtidas placas através do processamento por laminação de molduras de chapas de aço inoxidável, contendo pastilha fabricadas com microesferas de (Th,25%U)O2 com carregamentos de 10, 20 e 40% em peso de combustível disperso em matriz de aço inoxidável. Os dados das placas com carregamentos de 30 e 50% foram obtidos por interpolação da curva. As microesferas, obtidas pelo processo sol-gel, foram previamente secas, reduzidas e sinterizadas a 1700oC, durante 2 horas, sob atmosferas de hidrogênio. As microesferas sinterizadas alcançaram uma densidade de cerca de 98% da densidade teórica, e possuem um diâmetro médio de cerca de 300 mm e uma elevada resistência à fratura, de aproximadamente 40 N/microesfera. As regras implementadas neste modelo foram aplicadas nas coordenadas dos centros das esferas virtuais, que simulam as microesferas combustíveis de (Th,25%U)O2, obtendo-se novas coordenadas espaciais para cada uma delas nas etapas de prensagem e sinterização da pastilha e da laminação da placa combustível. Este modelo foi projetado com o uso de técnicas de análise de sistema estruturada, implementado utilizando a linguagem de programação Delphi e os resultados visualizados através do programa AutoCAD. Os resultados do modelo foram validados comparando-se as frações volumétricas experimentais em cada um dos carregamentos estudados com as frações simuladas. Este trabalho será de grande valia para o estudo do carregamento de microesferas na placa combustível, permitindo obter um combustível de elevado desempenho mecânico, térmico e neutrônico mesmo em mais alto carregamento. / The computational geometric modeling of the pressing, sintering and lamination stages for nuclear fuel plates composed by (Th,25%U)O2, microspheres dispersed into stainless steel matrix has been done in order to investigate the microspheres distribution in the various processing stages. The modeling standards were based on the parameters related to each fuel plate manufacturing stage. Accordingly, the plates were obtained through lamination processing of stainless steel plate frames comprising (Th,25%U)O2 microspheres pellets dispersed into stainless steel powder with loading of 10, 20 and 40% of microspheres dispersed into stainless steel matrix. The data for plates with loading of 30 and 50% have been obtained by linear interpolation. The microspheres produced by the sol-gel method were previously reduced and sintered at 1700 0C during 2 hours at hydrogen atmosphere. These sintered microspheres have reached about 98% of the theoretical density, with a mean diameter of 300 mm and a high resistance to fracture, near to 40 N/microsphere. The implemented standards in this model were applied at the virtual spheres center coordinates, which simulate the (Th,25%U)O2 fuel microspheres, and generate the new spatial coordinates to each of them in the pressing, sintering and lamination stages. This model was developed using structured system analysis techniques and it has been implemented using the Delphi programming language. The results were displayed through the AutoCAD program and validated comparing the experimental volumetric fractions in each of the studied loading, with the simulated fractions. The results indicate that this work could be a powerful tool in the investigation of microspheres loading in the fuel plate, allowing the attainment of a high mechanical and neutronic performance fuel, even for higher level loading.