Se você tiver a oportunidade de entrar em uma usina nuclear com reator de água pressurizada, através da espessa camada protetora, verá um enorme vaso de pressão de aço-o coração do reator, conhecido como núcleo. Dentro do núcleo, dezenas de milhares de tubos de metal delgados, cada um com três a quatro metros de comprimento, estão dispostos em uma formação disciplinada, permanecendo silenciosamente dentro de água de alta-temperatura e alta-pressão. Esses tubos servem como revestimento externo do combustível nuclear: os tubos de revestimento de liga de zircônio.
Não emitem luz nem geram calor, mas assumem a responsabilidade de segurança mais crítica de toda a reacção nuclear. Se o combustível nuclear for comparado ao “coração” de um reator, o revestimento de liga de zircônio serve como o “pericárdio” que envolve esse coração -uma armadura invisível, fina, porém robusta e imperecível.
Por que especificamente o zircônio?
Os requisitos para materiais de revestimento de reatores são virtualmente rigorosos. Devem cumprir simultaneamente três especificações aparentemente contraditórias:
1. A "indiferença" aos nêutrons – a seção transversal de absorção-dos nêutrons térmicos deve ser extremamente baixa para evitar o consumo dos preciosos nêutrons essenciais para sustentar a reação em cadeia.
2. Imunidade à água-de alta temperatura – Quando imerso por longos períodos em água corrosiva a 300–400 graus e sob alta pressão, a superfície apresenta ferrugem ou descamação mínimas.
3. "Tolerância" à irradiação: Mantém as propriedades mecânicas sob intenso bombardeio de nêutrons sem sofrer fragilização ou inchaço.
Em toda a tabela periódica, apenas alguns metais satisfazem todos os três critérios. O magnésio é muito reativo, o alumínio carece de alta-estabilidade de temperatura e o aço exibe absorção excessiva de nêutrons... Apenas o zircônio se destaca entre esses candidatos, ostentando uma seção transversal ultra-baixa de absorção de nêutrons térmicos-de 0,18 baril (muito abaixo dos 2,56 baril do ferro e dos 4,5 baril do níquel), juntamente com excepcional resistência inerente à corrosão e resistência à radiação. O desenvolvimento de ligas de zircônio representa um ponto de viragem crucial para a comercialização em larga-escala de reatores de água pressurizada; sem eles, a participação da energia nuclear no mix energético provavelmente seria hoje significativamente reduzida.
A transformação do zircônio em "armadura"
No entanto, o zircônio puro é muito macio e carece de resistência suficiente para suportar diretamente a intensa expansão/contração térmica e os impactos do fluxo de água dentro do núcleo do reator. Para resolver isso, os metalúrgicos desenvolveram duas soluções:
Primeiro, liga. A adição de pequenas quantidades de elementos como estanho, ferro, cromo e níquel ao zircônio forma sistemas clássicos representados pelas ligas Zr-2 e Zr-4. Esses aditivos intercalam-se na estrutura do cristal de zircônio como barras de reforço, aumentando significativamente sua resistência, resistência à fluência e resistência à corrosão por hidróxido. Posteriormente, a França, os Estados Unidos e a Rússia desenvolveram classes mais avançadas, como M5, ZIRLO e E110, que apresentam desempenho ainda superior.
Em segundo lugar, remover impurezas. Na natureza, o zircônio e o háfnio sempre coexistem como elementos gêmeos. No entanto, a seção transversal de absorção de nêutrons térmicos do háfnio-é 600 vezes maior que a do zircônio-tornando-o um verdadeiro "buraco negro" de nêutrons. Conseqüentemente, o zircônio de grau-nuclear deve ter seu conteúdo de háfnio estritamente controlado abaixo de 0,01%, exigindo um processo de separação por extração com solvente extremamente complexo, cujo custo excede em muito o do zircônio de grau{8}}industrial. Por esse motivo, a produção de zircônio-de grau nuclear serve como um indicador importante da autossuficiência da indústria nuclear-de um país.
A primeira barreira de segurança
Durante a operação do reator, o papel dos tubos de revestimento vai muito além de meramente "envolver o combustível". A sua integridade determina diretamente os limites da segurança nuclear.
Prevenção de vazamento de produtos de fissão: Substâncias radioativas como césio e iodo geradas durante a fissão nuclear podem vazar diretamente para o refrigerante se o recipiente de contenção for rompido. Todos os padrões de energia nuclear estabelecidos exigem que a taxa de falha dos navios de contenção permaneça abaixo de 1 por mil durante toda a sua vida útil.
Transferência de calor: O calor substancial gerado pelos pellets de combustível deve ser rapidamente transferido através da parede de revestimento para o fluxo externo de água, onde é convertido em vapor para acionar a turbina. A excelente condutividade térmica da liga de zircônio garante alta eficiência neste processo de transferência de calor.
Operando em limites de acidentes: Sob condições extremas, como acidentes com perda de água, a temperatura central pode subir acima de 1.200 graus. Neste ponto, as ligas de zircônio sofrem intensas reações de oxidação com vapor de água, produzindo gás hidrogênio-esta foi precisamente a causa direta da explosão de hidrogênio durante o acidente nuclear de Fukushima. Consequentemente, ligas de zircônio de próxima-geração estão sendo desenvolvidas para diminuir a taxa de oxidação em altas temperaturas, criando assim uma janela de tempo crítica para resfriamento de emergência.
