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Ligas de zircônio aplicadas a revestimento de elemento combustível para reatores nucleares do tipo PWR.

As ligas de zircônio têm um campo vasto de aplicações e desempenha a função de revestir tubos onde ficam alojados as pastilhas de urânio (elemento combustível dos reatores nucleares do tipo Pwr). Suas principais especificações que identificam sua aplicabilidade são parâmetros relacionados as suas propriedades mecânicas, resistência a corrosão e aos danos que podem ser provocados por causa da radiação, sendo o fator principal e mais crítico o ambiente em que   o material estará sendo inserido onde   a  temperatura chega próximo aos 300 º C  e o zircônio é o material que corresponde ao ambiente proposto.

 

Reatores Nucleares do tipo PWR.

O reator nuclear desempenha a função de gerar a energia para diversas aplicações como a geração de energia elétrica muito utilizada em diversos países, ou energia propriamente mecânica, como por exemplo no portão aviões USS Enterprise e o submarino nuclear USS Pensilvânia.

O reator nuclear por mais que tenha diversas aplicações o seu princípio vai se manter o mesmo, sua arquitetura construtiva se compara a de um sistema termo – elétrico onde existe uma fonte de calor que irá aquecer à água, gerando vapor  e o mesmo  irá movimentar uma turbina que posteriormente desenvolverá deslocamento angular no eixo do  gerador elétrico.

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O reator do tipo BWR se assemelha com a figura acima, o reator PWR segue os mesmos princípios também da figura mencionada, a diferença crucial é o elemento combustível que ao invés do carvão será o urânio 235. O reator consiste de uma arquitetura que contêm as varetas com elemento combustível e os mecanismos de controle da reação (elementos de contenção que inibem a ação dos nêutrons térmicos que geram a reação em cadeia).O circuito 2  onde se encontra água com sua estrutura química alterada, essa modificação juntamente com a  alta pressão faz com que a água receba muita energia e não mude seu estado, ou seja, não venha evaporar pois a temperatura neste circuito chega a 320ºC, a agua fica em contato direto com o elemento combustível e é  chamada de “água pesada” D2O (óxido de deutério).A  outra câmara que irá trocar calor com o circuito 1 gerando vapor que irá movimentar a turbina a 1800 Rpm  e por último o circuito onde a água irá trocar calor com o sistema de resfriamento e condensar.

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Como funciona uma reação nuclear.

Basicamente existem dois tipos de reações nucleares a fissão e a fusão nuclear, a fusão nuclear gera muito mais energia que a fissão, através dela é que é gerado o calor do sol e as demais estrelas, a bomba de hidrogênio desenvolvida pela URSS também utiliza do mesmo mecanismo, porém a fusão nuclear não é tão simples de ser obtida pois necessita de um  ambiente de muito calor para vencer a repulsão “columbiana” e posteriormente  fazer a fusão dos átomos, existem alguns projetos como o “tomkamki” que têm desenvolvido e sintetizado algumas reações de fusão, e no exemplo da bomba de hidrogênio foi utilizado como elemento primário  para gerar calor, uma bomba de fissão nuclear  e posteriormente se obteve o resultado da fusão, entretanto esse tipo de reação têm um poder de destruição em massa podendo gerar grandes prejuízos para o planeta.

A fissão nucelar consiste em um átomo que é dividido por um nêutron com uma determinada energia cinética medida em eV (elétron – Volt), a partir deste momento ele irá dividir o átomo resultando dois elementos Ba e  o Kr mais três nêutrons, e uma parcela de energia que será irradiada, estes nêutrons  irão colidir com outros átomos e dividi-los gerando mais outros 3 nêutrons e assim por diante gerando a famosa reação em cadeia. A energia é proveniente de uma parcela de massa que se transformou em energia, assim como demonstrado nas lei ponderais da química onde a massa dos reagentes será igual ao produto, dentro das reações nucleares essa lei não é válida pois uma parcela de massa dos átomos será transformada em energia, fazendo todo o sentido em relação relatividade de Einstein onde massa e energia estão intrinsicamente relacionadas.

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Ligas de Zircônio

As ligas de zircônio são utilizadas nos revestimentos dos reatores por não interferirem na ação dos nêutrons que geram toda a reação em cadeia, e principalmente por ter uma excelente resistência mecânica e propriedades resistência corrosão à altíssimas temperaturas, seu número atômico 40 (40 prótons e 40 elétrons) e de massa atômica igual a 91 u,  configuração eletrônica é 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p6 5s2 4d2, á temperatura ambiente o zircônio encontra-se no estado sólido  oi descoberto em 1789 pelo alemão Martin Heinrich o zircônio tem propriedades muito parecidas com o titânio.

É comumente encontrado na natureza na forma de silicato e óxido do metal e é  obtido através do processo de Kroll, que consiste na conversão do minério em cloreto com posterior redução em presença de magnésio metálico.

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 É utilizado  como aditivo em aços obtendo-se materiais muito resistentes e  empregado em ligas com níquel  devido a sua resistência perante substâncias corrosivas, por ser elemento que têm uma excelente resistência à corrosão é usado como substituto do Crómio hexavalente nas linhas de tratamento de superfície de Alumínio.

O óxido de zircônio também utilizado para fabricar utensílios de laboratório que suportam mudanças bruscas de temperaturas, revestimentos de fornos e como material refratário em indústria cerâmica e de vidro é um metal que pode interagir com os nossos tecidos humanos, por isso pode ser usado para a fabricação de articulações artificiais. Também é empregado em trocadores de calor, tubos de vácuo e filamentos de lâmpadas alguns de seus sais são empregados para a fabricação de anti – transpirantes. A liga com o nióbio apresenta supercondutividade a baixas temperaturas, podendo ser empregado para construir ímãs supercondutores. Por outro lado, a liga com zinco é magnética a temperaturas abaixo de 35 K, o óxido de zircônio também pode ser usado em joalherias é uma gema artificial denominada zircônia cúbica que imita o diamante.

 

Zircaloy

A adição de estanho ao zircônio têm a finalidade de melhorar sua resistência à corrosão, essa descoberta deu origem a classe de ligas identificadas como “Zircaloys”. Através de uma experiência acidental onde contaminação com aço inoxidável durante o estudo de ligas binárias e ternárias (liga metálica composta de dois metais) à base de zircônio e estanho produziu um material que mostrou um bom comportamento de resistência à corrosão. Esta liga foi denominada de zircaloy-2 e apresenta ferro, cromo e níquel como elementos de liga adicionais á todo desenvolvimento instituído ao  zircaloy-1, uma variação dessa liga apresentando um baixo teor de estanho (entre 0,25 e 0,5%), nunca foi produzida comercialmente e foi denominada como zircaloy-3, a  zircaloy-4 está sendo usada  largamente utilizada até os dias atuais, é uma variação do zircaloy-2 isenta de níquel, que foi desenvolvida para diminuir a captura de hidrogênio e que apresenta uma melhor resistência à corrosão com relação ao zircaloy-2.

Em um reator nuclear todos os elementos são dimensionados em relação a segurança, por isso a escolha da aplicação das ligas de zircônio assim  como o chumbo e o concreto com uma larga espessura são utilizados como elemento de contenção da radiação, tudo em si é dimensionado para que haja total segurança por isso cada vez mais será utilizado o emprego de zircônio nessa área.

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Mahan, B. M. Química: um curso universitário. 4a ed.  São Paulo: Edgard Blücher, 2003.

SHRIVER, DUWARD; ATKINS, PETER. Química inorgânica – 4ª edição. Porto Alegre, Bookman, 2008.

LEE, J.D.. Química inorgânica não tão concisa – tradução da 4ª edição inglesa.São Paulo,  Edgard Blücher, 1996.

http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/fissao-nuclear.htm

http://www.invivo.fiocruz.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?infoid=1165&sid=9

http://www.ptable.com/?lang=pt

http://www.eletronuclear.gov.br/Not%C3%ADcias/NoticiaDetalhes.aspx?NoticiaID=321

 

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Escrito por Kawann Costa

Engenheiro Mecatrônico obcecado em entender como as coisas funcionam em seus níveis mais baixos de abstração.

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