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Modelo que avalia a segurança de reatores nucleares é premiado nos Estados Unidos

Com informações Agência FAPESP | 24 de julho de 2015

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – O vaso de pressão, que aloja o núcleo do reator, é o componente estrutural mais crítico do sistema PWR (pressurized water reactor ou reator de água pressurizada), utilizado nas usinas nucleares de Angra dos Reis e no futuro submarino de propulsão nuclear da Marinha do Brasil.

Nesse sistema, a água empregada para moderar a reação de fissão nuclear do urânio, contida no circuito primário, aquece a água presente no circuito secundário, para gerar o vapor que aciona a turbina elétrica. E o vaso de pressão constitui a principal barreira de contenção metálica da água que flui sob alta pressão no circuito primário.

Um novo modelo, que aprimora o sistema de avaliação da integridade estrutural do vaso de pressão, foi premiado como o melhor trabalho apresentado no congresso da American Society of Mechanical Engineers realizado na Califórnia em 2014.

De autoria de Claudio Ruggieri, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP), e Robert H. Dodds, da University of Illinois, o trabalho – “A Weibull Stress Approach Incorporating the Coupling Effect of Constraint and Plastic Strain in Cleavage Fracture Toughness Predictions” – é resultado de projeto de pesquisa “Desenvolvimentos Adicionais de um Modelo Micromecânico de Fratura Frágil e Aplicações à Integridade Estrutural de Reatores Nucleares”, apoiado pela FAPESP e concluído recentemente.

“O principal fator de degradação do vaso de pressão é sua exposição à irradiação de nêutrons emitidos pela reação nuclear. A incidência desses nêutrons afeta significativamente as características do material em escala nanométrica, com a formação de defeitos e a consequente fragilização”, disse Ruggieri à Agência FAPESP.

Vale lembrar que a liberação da energia nuclear que é convertida em energia elétrica inicia-se mediante a colisão de um nêutron com um núcleo atômico de urânio físsil 235.

Instabilizado pelo nêutron adicional, o núcleo de U235 se divide em dois núcleos menores estáveis, emitindo, no processo, novos nêutrons rápidos, que, por sua vez, colidem com outros núcleos de U235. Deflagra-se, assim, uma reação em cadeia, com formidável liberação de energia.

Para avaliar o efeito dos nêutrons livres sobre os componentes estruturais do reator, diversos corpos de prova, de tamanho reduzido, são encapsulados e alojados em seu interior. Recebem altas doses de irradiação para serem posteriormente submetidos a ensaios de fratura.

Ocorre, porém, que há uma grande diferença de escala entre os corpos de prova encapsulados, de 10 milímetros de espessura, e a parede do reator, que tem cerca de 200 milímetros de espessura.

“Nosso novo modelo permite corrigir as imprecisões inerentes às medições experimentais e obter avaliações mais acuradas e adequadas da degradação neutrônica do material”, disse Ruggieri.

Os pesquisadores constataram que o mecanismo de fratura é um processo de degradação que acontece em diversas escalas, desde a escala atômica até a escala do próprio vaso de pressão. Com base nisso, construíram seu modelo, correlacionando a distribuição estatística de microfissuras com a deformação plástica local do componente estrutural macroscópico.

“O objetivo central foi compreender o papel da deformação plástica no processo de fratura por clivagem mediante um parâmetro probabilístico de fratura e como ele contribui para a avaliação de uma potencial falha catastrófica do vaso de pressão”, explicou o pesquisador.