A fabricação autóctone de combustível nuclear no Brasil para reatores de teste e
pesquisa está restrita ao combustível MTR (Material Test Reactor) tipo placa em dispersão,
com uso da liga U3Si2, revestido e disperso em alumínio, desenvolvido pelo IPEN-SP para
utilização no reator IEA-R1. Por outro lado, o combustível de UO2 tipo vareta para reatores
de potência é fabricado em Rezende (RJ) com tecnologia alemã pela INB, sob licença.
Atualmente, o Brasil está realizando dois programas de desenvolvimento de reatores. Um
programa é o desenvolvimento, pela CNEN, do reator multipropósito brasileiro (RMB), para
teste, pesquisa e produção de radioisótopos. O outro programa é o desenvolvimento do reator
de potência para propulsão naval, realizado pela Marinha do Brasil. O presente trabalho
apresenta o desenvolvimento e a caracterização de miniplaca combustível monolítica da liga
U-2,5Zr-7,5Nb, revestida em zircaloy (Zry), em escala de laboratório. Devido às suas
características e propriedades inovadoras, este combustível poderá ser empregado como
combustível tanto em reatores de teste, pesquisa e produtores de radioisótopos quanto em
reatores de potência de pequeno e médio portes. Assim, este combustível de elevada
potencialidade poderá ser empregado nos reatores nacionais ora em desenvolvimento. Neste
trabalho, o desenvolvimento do combustível monolítico tipo placa é feito empregando-se a
técnica denominada picture-frame, onde se obtém um sanduíche constituído por um
monolito da liga U-2,5Zr-7,5Nb acoplado a uma moldura e revestido por chapas de Zry. A
liga de U-2,5Zr-7,5Nb foi obtida pela técnica de fusão em forno de indução e, a seguir, o
fundido foi vazado em lingoteira retangular de grafite, alcançando-se assim um lingote com
dimensões aproximadas de 170 x 50 x 60 mm. O lingote obtido foi laminado a 850 C, com
uma redução de 50% em sua espessura, com objetivo de refinar a estrutura bruta de fusão.
Amostras cortadas da liga U-2,5Zr-7,5Nb, com dimensões de 20 x 20 x 6 mm, foram
colocadas em molduras e chapas de Zry e unidas por solda TIG (Tungsten Inert Gas) em
atmosfera de argônio, obtendo-se amostras de 10 mm de espessura, 45 mm de largura e
100 mm de comprimento. Os sanduíches assim obtidos, foram laminados a quente até se
alcançar miniplacas com espessura de 2 mm. Finalmente, as miniplacas foram laminadas a
frio, com uma redução total de 10%, com espessura final de 1,8 mm. A liga de U-2,5Zr-7,5Nb
foi caracterizada física e microestruturalmente pelas técnicas microdureza Vickers, análise de
fases por difração de raios X e microestrutura por microscopias óptica e eletrônica de
varredura. A miniplaca foi caracterizada física, microestruturalmente pelas técnicas de
radiografia de raios X, ensaio de empolamento, dobramento, análise da união metalúrgica do cerne e revestimento por espectrometria de energia dispersiva de raios X, microestrutura por
microscopias óptica e eletrônica de varredura, análise das fases presente no cerne por difração
de raios X, microdureza Vickers. Foi possível a obtenção da liga U-2,5Zr-7,5Nb com retenção
da fase γ e com baixo teor de carbono. As miniplacas obtidas pelo processo de laminação a
quente e a frio apresentaram bons resultados quanto a colaminação entre cerne/revestimentos
e entre seus revestimentos, a retenção da fase γ da liga se manteve após o processo. / The autocthonal production of nuclear fuel in Brazil for test and research reactors is
restricted to MTR (Material Test Reactor) fuel type dispersion plate, using U3Si2 alloy,
coated and dispersed in aluminum, developed by IPEN-SP for use in IEA-R1 reactor.
Moreover, the UO2 fuel rod type for power reactors is manufactured by Rezende (RJ) with a
German technology by INB under license. Currently, Brazil is performing two programs of
developing reactors. Currently, Brazil is developing two reactors. One of them is the
development, by CNEN, the Brazilian Multipurpose Reactor (RMB), for testing, research and
radioisotope production. The other one is the development a power reactor for naval
propulsion, conducted by the Brazilian Navy. This dissertation presents the development and
characterization of monolithic fuel miniplate alloy U-2.5Zr-7.5Nb, coated in zircaloy (ZRY),
on a laboratory scale. Due to its innovative features and properties, this fuel can be used as
fuel in both test reactors, research and producing radioisotopes for power reactors as small
and medium sizes. Thus, this high potential fuel can be used in domestic reactors currently
under development. The development of monolithic fuel plate type is made using the
technique called "picture-frame" where a sandwich composed of a monolith alloy U-2.5Zr-
7.5Nb coupled to a frame and coated sheets of Zry is obtained. The alloy U-2.5Zr-7.5Nb was
obtained by melting in an induction furnace and then was cast into rectangular ingots of
graphite, thus achieving an ingot with approximate dimensions of 170 x 50 x 60 mm. The
obtained ingot was hot rolled at 850 C, with a 50 % reduction in thickness, in order to refine
the raw structure of fusion. Samples cut from the alloy U-2.5Zr-7.5Nb, with dimensions
20 x 20 x 6 mm were placed in frames and plates Zry and joined by TIG (Tungsten Inert Gas)
under an atmosphere of argon, obtaining a set of 10 mm thick, 45 mm wide and 100 mm long.
The sandwiches were hot rolled to achieve miniplates with a thickness of 2mm. Finally, the
miniplates were cold rolled, with a total reduction of 10%, with a final thickness of 1.8 mm.
The alloy U-2,5Zr-75Nb was characterized by physical and microstructural techniques
Vickers microhardness, phase analysis by X-ray diffraction and microstructure by optical and
scanning electron microscopy. The miniplate was characterized by physical and
microstructural techniques of X-ray radiography, blistering test, bending test, analysis of
metallurgical union of meat and coating spectrometric energy dispersive X-ray,
microstructure by optical and scanning electron, phase analysis of the meat by X-ray and
Vickers microhardness. It was possible to obtain the alloy U-2.5Zr-7.5Nb with retained γ
phase and low carbon content. Miniplates obtained by hot and cold rolling process showed good results as colamination between core/cladding and between their coats, retention of γ phase in the alloy remained after the process.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:bdtd.cdtn.br:177 |
| Date | 24 February 2014 |
| Creators | Geraldo Corrêa Machado |
| Contributors | Wilmar Barbosa Ferraz, Luiz Oliveira de Faria, Vicente Tadeu Lopes Buono |
| Publisher | CNEN - Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte, CTMA - Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, CDTN, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do CDTN, instname:Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, instacron:CDTN |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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