domingo, 4 de outubro de 2015

Combustível Nuclear


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O Elemento Combustível é composto por pastilhas de dióxido de urânio montadas em tubos de uma liga metálica especial - o zircaloy -, formando um conjunto de varetas cuja estrutura, que tem até 5 metros de altura, é mantida rígida por reticulados chamados grades espaçadoras.
Colocado dentro dos reatores das usinas nucleares, o urânio contido no elemento combustível libera calor devido à fissão de seus átomos, produzindo o vapor que faz girar as turbinas das usinas, gerando assim energia elétrica.
A Fábrica de Combustível Nuclear - FCN, em Resende (RJ), produz os combustíveis que alimentam a Central Nuclear de Angra dos Reis, seguindo severos padrões de qualidade e precisão mecânica.
Cada elemento combustível, tem capacidade para abastecer de energia elétrica 42.000 residências de porte médio, durante um mês.
Os elemento combustíveis produzido pela INB para a usinas Angra 1 e Angra 2 são de diferentes tecnologias.
Veja na tabela as características desses combustíveis.



Elemento Combustível
Angra 1
Angra 2
Quantidade
121
193
Varetas
28.435
45.548
Pastilhas
10,5 milhões
17,5 milhões
Comprimento
4,00m
5,00m
Peso - urânio
411 kg
543 kg
Peso - total
600 kg
840 kg

O Ciclo do Combustível Nuclear é o conjunto de etapas do processo industrial que transforma o mineral urânio, desde quando ele é encontrado em estado natural até sua utilização como combustível, dentro de uma usina nuclear.



Enriquecimento Isotópico de Urânio


Os reatores a água leve do tipo PWR (Pressurized Water Reactor) adotados pelo Brasil para a geração de núcleo-eletricidade utilizam para sua operação o urânio levemente enriquecido no isótopo urânio 235, que, ao sofrer fissão, gera energia térmica no núcleo do reator.
Vários processos de enriquecimento foram desenvolvidos em laboratórios, mas somente dois deles operam em larga escala industrial: a difusão gasosa e a ultracentrifugação. As empresas proprietárias de usinas de difusão gasosa, por razões técnicas e econômicas iniciaram a sua desativação, ao mesmo tempo em que programam a implantação de unidades industriais de ultracentrifugação.
O processo físico de ultracentrifugação separa os isótopos urânio 235 e 238, aumentando a concentração do isótopo físsil urânio 235 de 0,7%, como encontrado na natureza, para cerca de 4%.
A ultracentrífuga a gás (no caso UF6) é um cilindro vertical fino que gira a uma velocidade extremamente alta dentro de uma carcaça com vácuo. Um campo de força ultracentrífuga gerado dentro do cilindro em rotação (rotor) separa os diferentes isótopos ao longo da direção radial.
Um fluxo axial de contracorrente é estabelecido para aumentar a separação dos isótopos. Na prática, a eficiência de uma ultracentrífuga a gás depende da velocidade periférica e do comprimento do rotor, da taxa axial de recirculação e da taxa de alimentação da máquina.
O princípio de funcionamento de uma ultracentrífuga a gás é ilustrado na figura abaixo.

Esquema de funcionamento de uma ultracentrífuga a gás


Como grandes quantidades de material enriquecido são necessárias ao suprimento dos combustíveis nucleares, e a produção por elemento separador é diminuta, utiliza-se industrialmente o acoplamento de inúmeros elementos separadores em paralelo, formando a configuração conhecida como “estágio de separação”.
Analogamente, como o efeito de separação em cada estágio é pequeno, o incremento no teor de enriquecimento do fluxo enriquecido é baixo, portanto, há necessidade de interligar os estágios em série, formando a configuração chamada “cascata”.
Então, para se obter produtos com os teores desejados em escala industrial, conclui-se que uma usina de enriquecimento compreende inúmeras cascatas constituídas de elementos de separação isotópica interligados em série e paralelo, por meio de tubulações referentes aos fluxos de urânio de alimentação e retirada de urânio enriquecido e empobrecido, conforme esquema abaixo:




Para entender o processo de ultracentrifugação


No método de ultracentrifugação, o gás hexafluoreto de urânio (UF6) é introduzido em cilindros que giram com velocidade angular extremamente alta, fazendo com que o isótopo U-238, sendo mais pesado, e por atuação das forças centrífugas, se concentre nas proximidades da parede do cilindro, enquanto o isótopo (U-235) tende a se concentrar nas proximidades do eixo do cilindro.
Como o ganho obtido em cada centrífuga é pequeno, é preciso repetir a operação inúmeras vezes, em ligações em série e em paralelo, chamadas cascatas, para se obter a quantidade e o teor de enriquecimento (concentração de aproximadamente 4%) desejados.
Para entender o processo de forma mais simples,utiliza-se o exemplo prosaico da máquina de lavar roupa: da mesma forma que uma centrífuga, a máquina gira para secar a roupa, grudando-a nas suas paredes internas e eliminando o excesso de água. Igualmente, no enriquecimento, a centrífuga separa os isótopos, deixando escorrer o que não interessa.
O segredo da tecnologia de enriquecimento por ultracentrifugação é conseguir fabricar uma máquina que tenha boa performance, custo operacional baixo, grande capacidade produtiva e nenhuma necessidade de manutenção, pois essas ultracentrífugas são projetadas para operar por vários anos sem qualquer interrupção.

Fábrica de Combustível Nuclear - FCN

A Fábrica de Combustível Nuclear (FCN), está localizada no distrito de Engenheiro Passos, no município de Resende (RJ). A FCN é um conjunto de sofisticadas fábricas nas quais se processam etapas importantes do ciclo do combustível nuclear.
Com instalações e equipamentos de alta tecnologia e pessoal técnico qualificado, trabalha em cooperação com empresas e instituições, nacionais e internacionais, ligadas ao setor nuclear para produção de energia elétrica.
Em uma área de 600 hectares, a FCN abriga a área administrativa da empresa, o Centro Zoobotânico e as atividades industriais relacionadas ao ciclo do combustível nuclear: FCN Reconversão - produção de pó de dióxido de urânio (UO2); a FCN Pastilhas - produção de pastilhas de dióxido de urânio (UO2); FCN Componentes e Montagem - fabricação de componentes e a montagem do elemento combustível; e a usina de enriquecimento isotópico de urânio.

Todas as unidades da FCN são certificadas pelas ISO 9.000 e ISO 14.000 OHSAS 18000 que garante a qualidade os produtos, a segurança das operações, a saúde dos trabalhadores e a preservação do meio ambiente sendo reconhecida pela Agência Internacional de Energia Atômica como indústria segura e transparente.


Utilizando parte das instalações da Fábrica de Combustível Nuclear da INB, em Resende - RJ, encontra-se em implantação a primeira planta de enriquecimento isotópico de urânio, em escala industrial, constituída de cascatas de ultracentrífugas desenvolvidas e fornecidas pelo Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP).
A primeira das dez cascatas contratadas ao CTMSP foi inaugurada em 2006. Prevê-se para final de 2012 a conclusão da primeira fase do empreendimento, compreendendo o total de dez cascatas montadas em quatro módulos, que fornecerão a quantidade de urânio enriquecido para a produção de combustíveis nucleares para suprimento de 100% das necessidades do reator de ANGRA 1 e 20% de ANGRA 2.
A manutenção do domínio do processo de enriquecimento isotópico de urânio por ultracentrifugação, mediante o continuado desenvolvimento tecnológico e sua aplicação industrial, reveste-se de importância tecnológica, estratégica e econômica para o País.


Envolve a aplicação de tecnologias sofisticadas, cujo domínio e acesso são restritos a poucos países. Representa cerca de 35% do custo total de fabricação do combustível nuclear.
Os reatores a água leve - PWR - Pressurized Water Reactor - adotados pelo Brasil para a geração de núcleo-eletricidade, utilizam em sua operação o urânio levemente enriquecido no isótopo urânio 235, que, ao sofrer fissão, gera energia térmica no núcleo do reator.
Vários processos de enriquecimento foram desenvolvidos em laboratórios, mas somente dois deles operam em larga escala industrial: a difusão gasosa e a ultracentrifugação. As empresas proprietárias de usinas de difusão gasosa, por razões técnicas e econômicas iniciaram a sua desativação, ao mesmo tempo em que programam a implantação de unidades industriais de ultracentrifugação.





A reconversão é o retorno do gás hexafluoreto de urânio (UF6) a dióxido de urânio (UO2), sob a forma de pó. Este processo é feito após o enriquecimento do UF6. Reconverter gás em pó é transformar o urânio para ser utilizado como combustível.
Atividade desenvolvida na FCN - Reconversão, também projetada para operar em escala comercial variável, a fábrica de pó de dióxido de urânio (UO2) tem uma capacidade nominal de 160t/a. Funciona como unidade de produção independente e alimenta a fábrica de pastilhas de pó de dióxido de urânio (UO2).
Está equipada com os mais modernos equipamentos e sistemas de segurança. Sua operação é realizada por técnicos treinados e em constante atualização.

Entenda o Processo



Em recipientes cilíndricos, o urânio enriquecido na forma de gás é levado para aquecimento na autoclave. Em um tanque contendo água desmineralizada a 100ºC, o gás UF6 é misturado com dois outros gases: o gás carbônico (CO2) e o gás amoníaco (NH3). A reação química entre eles produz tricarbonato de amônio e uranila (TCAU), componente sólido amarelo insolúvel em água. Após o processo de secagem do TCAU, ele é transportado para um forno, a 600º C. Depois de passar pelo forno, o produto gerado é o pó dióxido de urânio (UO2). Depois de estabilizado, o UO2 é transportado para homogenizadores, onde a ele é adicionado outros compostos de urânio, estando pronto para a fabricação de pastilhas de urânio.



Duas pastilhas de urânio produzem energia suficiente para atender, por um mês, uma residência média em que vivam quatro pessoas.



Atividade desenvolvida na FCN - Pastilhas que foi projetada para operar em escala comercial variável, a fábrica de pastilhas de dióxido de urânio (UO2) tem uma capacidade nominal de 120t/a. Funciona como unidade de produção independente e é alimentada pela fábrica de pó de dióxido de urânio (UO2).
As pastilhas de dióxido de urânio (UO2) são a síntese de um longo processo mínero-químico-industrial. Para ser idéia da capacidade desse combustível basta considerar que apenas duas dessas pastilhas, que tem a forma de um cilindro de mais ou menos um centímetro de comprimento e de diâmetro, geram energia para manter uma residência média funcionando por um mês.
A FCN Pastilhas está equipada com os mais modernos equipamentos e sistemas de segurança, sua operação é realizada por técnicos treinados e em constante atualização.
Pastilhas de UO2




                        


Entenda o Processo



Após o processo de homogenização, o pó de UO2 é transportado para uma prensa rotativa automática, onde são produzidas as chamadas “pastilhas verdes”, que recebem este nome por ainda não terem sido sinterizadas. Para ganhar rigidez, as pastilhas são encaminhadas para um forno de sinterização e aquecidas a 1750ºC para adquirir a resistência necessária às condições de operação a que serão submetidas dentro do reator de uma usina nuclear.
Antes de seguirem para a montagem dos elementos combustíveis, as pastilhas passam por uma retificação para ajuste de suas dimensões e pela verificação de medição a laser, este último que rejeita as de circunferência fora do padrão. As pastilhas aprovadas são acondicionadas em caixas e levadas para a montagem dos elementos combustíveis.écnicos treinados e em constante atualização.





Em Resende, na Fábrica de Combustível Nuclear Componentes e Montagem são montados os elementos combustíveis e produzidos os seus componentes para duas tecnologias distintas - modelo Westinghouse (Angra 1) ou modelo Siemens (Angra 2) -, além de serviços de usinagem de alta precisão com repetição assegurada, de inspeção dimensional e de tolerâncias geométricas com resultados informatizados que garantem qualidade e rastreabilidade de dados.
Também são realizados processos de solda por feixe de elétrons, de metais sem adição de material e com mínima zona termicamente afetada (z.t.a.), aplicadas em grande número de metais e ligas. Soldas de aços-carbono, aços de baixa e alta liga, ligas resistentes ao calor, metais de alto ponto de fusão, alumínio e suas ligas, titânio e suas ligas, berílio e diversos metais dissimilares sem metal de adição.
A FCN Componentes e Montagem tem capacidade nominal de 250 t anuais de urânio (U) - cerca de 100 t /U que são suficientes para a primeira carga de um reator de 1.300 MWe - ou para recargas anuais de até três reatores esse porte.
A fabricação do elemento combustível envolve uma alta sofisticação em precisão mecânica e garantia da qualidade. Equipamentos de ultra-som, raios X, soldas especiais, medições a laser, microscópios e outros recursos sofisticados são comumente utilizados em seus processos de produção e controle.
Para a montagem de um elemento combustível, que abastece as usinas nucleares, são necessários vários componentes, todos produzidos com estrutura capaz de suportar as condições de um reator nuclear visando sempre sua operação segura . Os elementos combustíveis que abastecem as usinas de Angra 1 e 2, em Angra dos Reis (RJ) são fabricados pela INB em sua unidade localizada em Resende (RJ).
Um elemento combustível é formado por mais de 230 varetas combustíveis rigidamente posicionadas em uma estrutura metálica formada por grades espaçadoras. Cada vareta tem quatro metros de comprimento e cerca de 10 milímetros de diâmetro. Nelas são armazenadas as pastilhas de UO2. Também fazem parte do elemento combustível, tubos guias e bocais, entre outros componentes.


Angra 1

O elemento combustível produzido pela INB para a Usina Angra 1 é de tecnologia Westinghouse. Seu conjunto possui 235 varetas combustíveis, oito grades espaçadoras, 20 tubos guias, um tubo de instrumentação e dois bocais (um inferior e um superior).









Angra 2
Já o elemento combustível fabricado para abastecer Angra 2 é de tecnologia Siemens/Areva e seu conjunto possui 236 varetas combustíveis. Conta ainda com nove grades espaçadoras, 20 tubos guias e dois bocais (um inferior e um superior).















O Laboratório de Materiais é responsável pela execução de ensaios mecânicos e metaloráficos em compostos cerâmicos de alta resistência, ligas metálicas e soldas. Com uma equipe formada por engenheiros e técnicos especializados, este laboratório é credenciado pelo IBQN e pela Rede Brasileira de Ensaios do INMETRO desde 1995.


Ensaios Mecânicos
  • Ensaio de Tração em Materiais Metálicos (conf. normas 50145/75 e ASTM E-8/69)
  • Ensaio de Tração em juntas Soldadas (conf. normas DIN 50120/75 Parte 1 e 50120/83 Parte 2)
  • Ensaio de Dobramento em Juntas Soldadas e Revestimentos (conf. norma DIN 50121/78 - 1 e 3)
  • Teste de Compressão em molas helicoidais cilíndricas de arame redondo (conf. norma DIN 2095/73)
  • Ensaio de Micro dureza Vickers de 0,2 a 10 Kp (conf. norma DIN 50133/72) 
Ensaios Metalográficos
  • Análise e interpretação de estruturas de aço carbono e aços inoxidáveis (conf. normas ASTM E-3/62 e ASTM E407/70)
  • Determinação de inclusões não metálicas em aços inoxidáveis (conf. normas ASTM E-45/74 e DIN 50602/85)
Equipamentos Disponíveis

  • Máquina Universal de tração, com capacidade até 10.000Kgf
  • Máquina de ensaio de Molas, marca Probat, 2 escalas de 400 e2000 N
  • Máquina para ensaio de micro dureza Vickers (0,2 a 10 Kp), marca Zwick
  • Lixadeiras rotativas, politrizes, prensas de embutimento para amostras metalográficas
  • Microscópio metalográfico, aumento de 50 a 800 vezes, marca Versamet Union
  • Estéreo Microscópio, aumento de 20 a 2000 vezes, com monitor de vídeo e impressora para documentação fotográfica



O Laboratório de Metrologia realiza a caliração de instrumentos de medição de todas as unidades operacionais que compõem a INB Resende e também conta com profissionais de larga experiência, equipamentos de última geração e um sistema de qualidade rígido e eficaz, o que levou a ser credenciado pelo IBQN. 



Ensaios de Calibração de Instrumentos de Medição 

Instrumento
Faixa
Melhor capacidade de medição
Paquímetroaté 300 mm0,01 mm
Micrômetro Externoaté 300 mm0,01 mm
Micrômetro Internoaté 5 - 45 mm0,0005 mm
Relógio Comparador Milesimal0 - 15 mm0,001 mm
Relógio Comparador Centesimal0 - 50 mm0,0001 mm
Relógio Apalpador Milesimal0 - 0,2 mm0,0001 mm
Relógio Apalpador Centesimal0 - 0,8 mm0,0001 mm
Calibrador Tampão Liso Cilíndricoaté 230 mm0,00001 mm
Calibrador Anel Liso Cilíndricoaté 230 mm0,00001 mm
Calibrador Anel Roscado Cilíndricoaté 200 mm0,0005 mm
Calibrador Tampão Roscado Cilíndricoaté 200 mm0,0005 mm
Régua com Fioaté 300 mm0,001 mm
Régua Planaaté 1500 mm0,01 mm
Esquadro com Fioaté 300 mm0,001 mm
Esquadro Planoaté 300 mm0,001 mm
Bloco Padrão0,5 - 100 mm0,00001 mm
Multímetro (Analógico e Digital)DiversasDiversas
Termômetros Digital e AnalógicoDiversasDiversas

Equipamentos Utilizados 
Descrição
Fabricante
Faixa de Medição
Resolução
Máquina de Medição UniversalZeiss0 - 600 mm0,00001 mm
Máquina de Medição TridimensionalZeiss0 - 600 mm0,0001 mm
Blocos Padrão de CerâmicaMitutoyo0,5 - 100 mmclasse 00
Blocos Padrão de AçoMitutoyo0,5 - 100 mmclasse A
Instrumento p/ caliração de RelógiosMahr0 - 10 mm0,0001 mm
Anéis PadrãoDiatest0,5 - 20 mm0,0001 mm
Pinos CalibradosMahr4,9 - 5,1 mm0,001 mm
Esquadro CilíndricoLEAaté 300 mm
Conjunto p/ Calibração de Bl. PadrãoTESAaté 100 mm0,00001 mm
Calibrador EletrônicoFLUKEDiversasDiversas

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