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ESTUDO PRELIMINAR DA APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE CORRENTES
PARASITAS VISANDO A INSPEÇÃO SUBMERSA DE ELEMENTOS
COMBUSTÍVEIS
Paulo Apicelo de Souza Pereira
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA OCEÂNICA.
Aprovada por:
_________________________________________________
Prof. Segen Farid Estefen, Ph.D.
_________________________________________________
Prof. Raad Yahya Qassim, Ph.D.
_________________________________________________
Prof. Antonio José da Silva Neto, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
MARÇO DE 2007
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ii
PEREIRA, PAULO APICELO DE SOUZA
“Estudo Preliminar da Aplicação da Técnica de
Correntes Parasitas Visando a Inspeção Submersa
de Elementos Combustíveis” [Rio de Janeiro]
2007
XI, 80 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,
Engenharia Naval e Oceânica, 2007)
Dissertação – Universidade Federal do Rio
de Janeiro, COPPE.
1. Corrosão
2. Reatores nucleares
3. Correntes Parasitas
4. Inspeção e reparo
5. Elemento combustível
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
iii
Agradecimentos
Ao professor e orientador Segen Farid Estefen, pela orientação na dissertação;
À INB, por ter me dado a oportunidade de concluir este curso de pós-graduação;
Ao físico Adolpho Soares da Technotest pelos ensinamentos da técnica de correntes
parasitas e pelo apoio no projeto da bobina;
Ao engenheiro Márcio Adriano, pelas recomendações no trabalho;
Ao engenheiro André Luiz Pinto da Veiga, pelas idéias e auxílio na elaboração do
procedimento experimental;
À equipe do laboratório de materiais da INB, pelo apoio na parte experimental;
À minha família, por tudo que fez por mim.
iv
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDO PRELIMINAR DA APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE CORRENTES
PARASITAS VISANDO A INSPEÇÃO SUBMERSA DE ELEMENTOS
COMBUSTÍVEIS
Paulo Apicelo de Souza Pereira
Março/2007
Orientador: Segen Farid Estefen
Programa: Engenharia Oceânica
Esta dissertação revisou os conceitos do método não-destrutivo “Correntes
Parasitas” utilizados em diferentes aplicações industriais e propõe o uso da técnica na
medição da camada de oxidação de elementos combustíveis de reatores nucleares.
A metodologia de validação e otimização das bobinas, projetadas e construídas
especialmente para esta aplicação, foi feita a partir da construção de corpos de prova
tubulares de Zircaloy-4 em laboratório, simulando a condição real de oxidação das
varetas irradiadas imersas nas piscinas das usinas nucleares. Relacionou-se a amplitude
do sinal de impedância causado pelo efeito lift-off à espessura da camada oxidada nos
tubos em função do tempo de oxidação e chegou-se a uma correlação que permite
generalizar a medição das camadas oxidadas na faixa de utilização real.
O trabalho de pesquisa contribuiu para o desenvolvimento da bobina de medição
do óxido, que envolve elevados custos de aquisição e promove o conhecimento real da
condição das varetas após o uso nos reatores nucleares da Central Nuclear de Angra dos
Reis, podendo-se assim, evoluir nas condições de inspeção e projeto que melhore a
confiabilidade dos elementos em boas condições de operação.
v
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
PRELIMINARY STUDY OF APPLICATION OF EDDY CURRENT TEST AIMING
TO SUBSEA INSPECTION OF FUEL ASSEMBLY
Paulo Apicelo de Souza Pereira
March/2007
Advisor: Segen Farid Estefen
Department: Ocean Engineering
This dissertation reviewed the concepts of Eddy Current non-destructive test that
is used in different industrial applications and propose the use of this technique for the
measurement of oxide layer on the fuel element.
The methodology for validation and optimization of designed coils, which were
built specially for this application, was done by the construction of Zircaloy-4 tubes
specimens in laboratory and simulating them in the real conditions of oxidation when
irradiated fuel rods are immersed in the spent fuel pool. It was related with the
impedance signal amplitude caused by lift-off effect with the thickness oxidized layer in
tubes as function of oxidation time and it found a correlation that allows to generalize
the measurement of oxidized layers in real utilization range.
The research work contributed to development of the oxide layer measurement
bobbin coil which involves high acquisition costs and it promotes the real background
of rod conditions after it uses in the Angra dos Reis Nuclear Power Plants, it could
evolve the inspection and design conditions that to improve the reliability of fuel
element in good operational conditions.
vi
Índice
Lista de Figuras ............................................................................................................. ix
Lista de Tabelas ............................................................................................................. xi
Capítulo 1: Introdução................................................................................................... 1
1.1 – Histórico .................................................................................................................. 1
1.2 - Justificativa .............................................................................................................. 3
1.3 – Objetivo da Dissertação........................................................................................... 4
1.4 – Revisão Bibliográfica das Aplicações de Correntes Parasitas................................. 4
1.5 – Definição dos Capítulos........................................................................................... 7
Capítulo 2: Reatores Nucleares e seus Elementos Combustíveis ............................... 8
2.1 - As Indústrias do Ciclo do Combustível Nuclear...................................................... 8
2.2 - A Geração Termonuclear ......................................................................................... 9
2.3 – Comentários sobre os Reatores Nucleares............................................................. 12
2.4 - Propriedades Gerais e Especiais na Seleção de Materiais para Elementos
Combustíveis .................................................................................................................. 13
2.5 – Apresentação do Elemento Combustível............................................................... 14
2.6 - Estado da Arte dos Elementos Combustíveis - 16 NGF ........................................ 17
2.7 – Mecanismos e Causas Raiz de Falhas de Combustíveis........................................ 18
2.8 – Utilização dos Ensaios Não Destrutivos nos Elementos Combustíveis ................ 20
2.8.1 - Ultra-Som............................................................................................................ 20
2.8.2 - ACFM (Alternating Current Field Measurement) .............................................. 21
2.8.3 – Correntes Parasitas ............................................................................................. 22
Capítulo 3: Técnica de Correntes Parasitas............................................................... 23
3.1 – Introdução.............................................................................................................. 23
3.2 - Vantagens e Limitações do Ensaio......................................................................... 23
3.3 – Fundamentos do Ensaio de Correntes Parasitas .................................................... 24
3.4 - Propriedades que Afetam as Correntes Parasitas ................................................... 26
3.4.1 - Condutividade Elétrica........................................................................................ 26
3.4.2 - Dimensão e Forma do Objeto Ensaiado.............................................................. 27
3.4.3 - Permeabilidade Magnética .................................................................................. 27
3.5 - Espaçamento entre a Bobina e a Peça .................................................................... 28
3.6 - Tipos de Sondas para Ensaios por Correntes Parasitas .......................................... 29
3.6.1 - Tipos de Sonda quanto ao Arranjo Elétrico de suas Bobinas ............................. 29
vii
3.7 – Técnica da Análise de Fase ................................................................................... 30
3.7.1 - Fundamentos da Técnica..................................................................................... 30
3.7.2 - Diagramas do Plano de Impedância .................................................................... 31
Capítulo 4: Corrosão no Revestimento das Varetas Combustíveis ......................... 33
4.1 – Introdução.............................................................................................................. 33
4.2 - Efeito da Corrosão na Integridade dos Tubos ........................................................ 34
4.3 – Código PAD – Simulação Computacional da Corrosão........................................ 38
4.3.1 – Descrição ............................................................................................................ 38
4.3.2 - Critérios de Corrosão para o Projeto das Varetas de Elementos Combustíveis.. 39
Capítulo 5: Experimento de Oxidação Forçada em Tubos de Zircaloy-4 para a
Criação de Corpos de Prova ........................................................................................ 41
5.1 – Introdução.............................................................................................................. 41
5.2 – O Experimento....................................................................................................... 41
5.3 – Princípios do Experimento .................................................................................... 42
5.4 – Descrição do Procedimento Experimental ............................................................ 43
5.4.1 – Materiais Utilizados............................................................................................ 43
5.4.2 - Equipamentos Utilizados .................................................................................... 44
5.4.3 - Conjunto de Amostras......................................................................................... 44
5.4.4 - Preparação da Solução de Oxidação com 2000 ppm de LiOH ........................... 46
5.4.5 - Início de Etapa de Oxidação................................................................................ 46
5.4.6 - Fim da Etapa de Oxidação .................................................................................. 48
5.4.7 - Embutimento dos Corpos de Prova..................................................................... 49
5.5 – Resultados.............................................................................................................. 50
Capítulo 6: Desenvolvimento da Bobina de Medição da Oxidação de Tubos de
Revestimento ................................................................................................................. 57
6.1 - Escopo do Trabalho................................................................................................ 57
6.2 – Projeto do Equipamento Nacional......................................................................... 58
6.2.1 – Teoria Fundamental ............................................................................................ 58
6.2.2 - Sondas Superficiais Utilizadas na Medição ........................................................ 59
6.2.3 - Descrição Sucinta do Equipamento Utilizado no Trabalho ................................ 62
6.2.4 - Resultados Obtidos.............................................................................................. 63
6.3 - Funcionalidade do Sistema de Medição Americano .............................................. 67
6.3.1 – Definições........................................................................................................... 67
6.3.2 - Descrição Geral ................................................................................................... 67
viii
6.3.3 - Lista de Equipamentos ........................................................................................ 70
Capítulo 7: Conclusão e Sugestões para Trabalhos Futuros.................................... 71
Referências bibliográficas............................................................................................ 73
Anexo A: Descrição da Operação e Calibração do Sistema de Ensaio.................... 75
Anexo B: Telas Obtidas no Ensaio de Correntes Parasitas ...................................... 77
ix
Lista de Figuras
Figura 1.1 - CNAAA – Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto Angra I à Direita e
Angra II à Esquerda
Figura 2.1 – Ciclo do Combustível Nuclear
Figura 2.2 - Detalhe das Varetas que Contêm as Pastilhas, no Elemento Combustível
Figura 2.3 – Diagrama dos Circuitos de um Reator do Tipo PWR
Figura 2.4 – Foto do Interior do Reator de Angra II
Figura 2.5 – Apresentação Esquemática dos Componentes de um Elemento
Combustível Típico de Angra I.
Figura 2.6 – Medidor de Espessura por Ultra-Som e suas Bobinas
Figura 2.7 – Equipamento AMIGO® e sua Utilização numa Solda Estrutural
Figura 2.8 – Ilustração Esquemática de uma Bobina Superficial sobre uma Chapa
Figura 3.1 – Campo Magnético Alternado Induzindo Correntes Elétricas numa Amostra
Metálica
Figura 3.2 – Efeito da Espessura do Material nos Ensaios por Correntes Parasitas
Figura 3.3 – Utilização do Efeito Lift-Off para Medir Espessura de Camada Não
Condutora sobre Base Condutora
Figura 3.4 – Sonda Superficial em Arranjo Diferencial
Figura 3.5 – Diagrama de Impedância
Figura 3.6 – Formação da Curva de Condutividade num Diagrama do Plano de
Impedância
Figura 3.7 - Curva do Fator Lift-Off num Diagrama do Plano de Impedância
Figura 4.1 – Oxidação Acentuada nas Varetas do Elemento Combustível
Figura 5.1 – Micro-Estrutura do Zircaloy-4
Figura 5.2 – Foto dos Componentes antes do Experimento Ensacados após o
Desengorduramento
Figura 5.3 – Foto Final dos Corpos de Ganho de Peso
Figura 5.4 – Arames onde Foram Pendurados os Corpos de Ganho de Peso
Figura 5.5 – Tubos com Tampão Inseridos na Seção de Grade
Figura 5.6 – Dispositivo de Ensaio Entrando na Autoclave
Figura 5.7 – Esquema do Elemento Combustível dentro da Autoclave, Cotado em mm
Figura 5.8 – Dispositivo de Ensaio Montado antes do Início da Oxidação Forçada
Figura 5.9 – Posição dos Tubos
x
Figura 5.10 – Equipamentos Utilizados no Experimento: Prensa, Polidor e Microscópio
com Régua Graduada
Figura 5.11 – Visualização do Programa da Autoclave de Controle dos Experimentos
Figura 5.12 – Gráfico da Oxidação de Comstock et al. [27]
Figura 5.13 – Evolução do Crescimento do Óxido com o Tempo
Figura 5.14 - Comparação do Tubo 6, com Aumento de 825 x, 110 Horas de Ensaio e o
Tubo 10, com Aumento de 82,5 x e 888 Horas de Ensaio
Figura 5.15 - Detalhe da Fissura no Tubo 10, com Aumento de 425 e 825 Vezes,
Respectivamente, com 888 Horas de Oxidação Forçada
Figura 6.1 - Utilização de uma Sonda Superficial Plana para Medir Espessura de
Camada de Revestimento Não Condutor, Depositada sobre a Superfície de uma Chapa
ou Placa de Determinada Liga de Alumínio
Figura 6.2 - Desenho Mostrando a Utilização de Sondas Superficiais do Tipo “Caneta”,
Interligadas entre si no Modo Diferencial, para Medir Espessura de Camada de Óxido
Figura 6.3 – Fotografia das Duas Sondas Tipo “Caneta”, em Arranjo Diferencial
Figura 6.4 - Fotografia Similar à Anterior. A Sonda de Ensaio está Agora com um
Dispositivo que Prende a Amostra Junto à Haste da Sonda Tipo Caneta
Figura 6.5 – Fotografia do Mesmo Dispositivo Sensor, Onde se Vê uma Amostra
Oxidada, Posicionada na Sonda de Ensaio
Figura 6.6 – Desenho Esquemático da Vista Frontal do Dispositivo
Figura 6.7 – Ponte de Impedâncias Existente na Maioria dos Equipamentos de Correntes
Parasitas Atuais. Z1 e Z2 são as Impedâncias Correspondentes às Bobinas das Sondas
de Ensaio e de Referência
Figura 6.8 – Fotografia de um Equipamento da ECT, Modelo MAD 8D
Figura 6.9 - Tela de Sinal Proveniente da Amostra 8, com a Espessura de Camada de
Óxido de 10,2 µm
Figura 6.10 – Curva de Lift-Off das Amostras Feitas em Laboratório
Figura 6.11 – Relação da Camada Oxidada Medida e a Amplitude do Sinal no MAD8D
Figura 6.12 – Visualização da Amplitude do Sinal com os Valores de Espessura Limites
Figura 6.13 – Mecanismo de Medição dos EUA
xi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Comparação dos Elementos Combustíveis de Angra I e II
Tabela 2.2 - Composição da Liga de Zircaloy-4
Tabela 2.3 - Comparação entre as Principais Características dos EC 16 STD e 16 NGF
Tabela 2.4 – Histórico de Falhas
Tabela 3.1 - Resistividade e Condutividade de Materiais Metálicos
Tabela 5.1 – Controle do Experimento de Oxidação
Tabela 5.2 – Controle do pH da Solução de LiOH a 2000 ppm
Tabela 5.3 – Dados das Quatro Amostras Feitas como Corpo de Prova para Ganho de
Peso
Tabela 5.4 – Análise Final do Peso Ganho nas Quatro Amostras
Tabela 5.5 – Camadas de Óxido Medidas na Experiência do Laboratório
Tabela 6.1 – Grandezas Associadas a Espessuras de Óxido Medidas
1
Capítulo 1: Introdução
1.1 – Histórico
O Brasil tem investido na área nuclear ao longo de várias décadas, objetivando
dominar essa fonte de energia e as tecnologias utilizadas no seu uso em diferentes
aplicações. Dentre estas deve-se destacar a produção de energia, com o domínio do
ciclo do combustível nuclear, a operação de reatores nucleares e os usos na medicina, na
agricultura, na indústria convencional e na propulsão nuclear.
Segundo Quadros [1], na década de 1970, a energia nuclear no Brasil ganha
destaque com a concorrência internacional para compra do reator Angra I, que foi
vencida pela empresa norte-americana Westinghouse, sendo assinado um contrato para
a construção desta primeira usina de potência no Brasil, tipo PWR (Pressurized Water
Reactor), ou seja, um reator cujo combustível nuclear é produzido com urânio
enriquecido e resfriado à água pressurizada.
Em 1971, a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) criou a Companhia
Brasileira de Tecnologia Nuclear (CBTN). Em 1972, o Brasil assinou outro acordo com
os Estados Unidos da América para fornecimento de urânio enriquecido para a operação
da usina, sendo o pagamento efetuado com urânio natural brasileiro. Nos anos de 1973 e
1974, a CBTN realizou estudos de viabilidade para implantação da tecnologia nuclear
em larga escala no país. Como conseqüência dos estudos realizados, foi criada as
Empresas Nucleares Brasileiras (NUCLEBRÁS). Esta empresa foi encarregada de
implantar no país uma indústria pesada para fabricação de reatores e as indústrias
necessárias para todo o ciclo do combustível nuclear, objetivando a produção do
combustível e a capacitação em geração nucleoelétrica. A estratégia definida pela
CBTN e adotada pela NUCLEBRÁS previu a transferência de tecnologia,
diferentemente do que foi feito quando da compra do reator de Angra I da
Westinghouse.
Em 27 de junho de 1975, o Brasil assinou com a República Federal da Alemanha,
o acordo sobre Cooperação no Campo dos Usos Pacíficos da Energia Nuclear. O acordo
com a Alemanha incluiu o fornecimento de oito usinas nucleares, unidades do ciclo do
combustível e uma usina de enriquecimento de urânio pelo processo jato centrífugo, que
mostrou-se inviável economicamente devido ao alto consumo de energia.
Nos anos de 1980, em função das dificuldades financeiras, o programa nuclear
2
resultante do acordo com a Alemanha não produziu o desenvolvimento esperado para a
indústria nuclear, porém foi capaz de motivar uma classe de pesquisadores na defesa da
pesquisa nuclear no país, principalmente nos centros de pesquisa universitários, com o
apoio de militares.
Na década de 1990, consolidou-se a geração nucleoelétrica no Brasil, com a
operação de Angra I e Angra II, e também as indústrias do ciclo do combustível nuclear,
sendo que hoje o país pode produzir combustível com tecnologia transferida pelo acordo
Brasil-Alemanha para reatores tipo Angra II e com tecnologia da empresa
Westinghouse, transferida por outro contrato, para reatores tipo Angra I.
Figura 1.1 - CNAAA – Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto.
Angra I à Direita e Angra II à Esquerda
O Brasil, com apenas 25% do seu território prospectado, possui hoje a sexta maior
reserva de urânio do mundo. Possuir uma fonte energética de grande potencial, não
utilizá-la e nem desenvolver tecnologia que permita o uso dessa fonte pode causar sérios
prejuízos para a segurança e o desenvolvimento do país.
O Brasil possui apenas dois reatores nucleares em operação e ainda se discute a
conclusão de Angra III, que é de extrema relevância para a consolidação da capacitação
tecnológica, incluindo áreas como prospecção e beneficiamento do urânio,
enriquecimento isotópico, fabricação do combustível nuclear, fabricação de
3
componentes do reator, e montagens e operação das usinas nucleares.
As Indústrias Nucleares do Brasil SA - INB, sucessora da Nuclebrás, possui seu
maior complexo industrial em Resende, onde estão localizadas as fábricas de pó de
dióxido de urânio, de pastilhas de dióxido de urânio, de componentes e a montagem do
elemento combustível (EC), que garantem o suprimento dos reatores de Angra I e II.
Neste complexo industrial está também sendo ampliada a usina de enriquecimento pelo
processo de ultracentrifugação, cujas centrífugas foram desenvolvidas e fornecidas pela
Marinha do Brasil. Completam as unidades do ciclo do combustível da INB, as
unidades de beneficiamento do urânio de Caetité na Bahia e a unidade de Poços de
Caldas. A unidade de conversão, também não foi implantada por somente ser viável
economicamente para a produção de hexafluoreto de urânio para um número
considerável de reatores nucleares, cerca de 8 (oito) tipo Angra I. A INB possui
também, uma unidade de Tratamento da Monazita, para a produção de minerais de alto
valor agregado e demandados pelo mercado nacional e internacional.
1.2 - Justificativa
As exigências de confiabilidade e de segurança impostas às centrais nucleares e
a maior sensibilidade da performance dessas centrais a pequenas variações de suas
características, fazem com que os métodos de controle dos diferentes componentes
assumam uma importância excepcional, em comparação às especificações de
equipamentos convencionais, dado o grande risco intrínseco da operação e manutenção
destas centrais energéticas.
Em particular, alguns componentes das centrais nucleares, altamente
comprometidos com a segurança da performance das mesmas, apresentam
características materiais e geométricas, que as tornam especialmente adequadas aos
métodos de controle da qualidade por correntes parasitas. É o caso especial dos tubos de
Zircaloy-4 usados como revestimento das varetas combustíveis e dos tubos dos
geradores de vapor, fabricados com ligas metálicas especiais. Nestes casos, além das
considerações que resultam das especificações e tolerâncias muito rígidas, ressalta a
grande dificuldade de inspeção dos elementos combustíveis irradiados.
Os reatores nucleares têm componentes estruturais de Zircaloy-4 que sofrem
corrosão durante o serviço. Por isso, a proposta deste trabalho é desenvolver uma
técnica para medir a camada de óxido gerada, baseada no efeito lift-off da teoria de
4
correntes parasitas, pois atualmente, o óxido não é analisado no elemento combustível,
mas modelado computacionalmente em programas nos departamentos de engenharia
das empresas envolvidas na fabricação e operação destes combustíveis nucleares.
1.3 – Objetivo da Dissertação
Esta dissertação propõe uma ferramenta para inspecionar e medir a camada de
óxido em tubos de revestimento de elementos combustíveis nucleares irradiados de
reatores do tipo PWR. Esta medição tem o intuito de se controlar e medir o óxido,
comparando com os valores simulados em códigos computacionais e inseri-los no
histórico e banco de dados destes códigos que “rodam” no Brasil. Num futuro próximo,
a INB será obrigada contratualmente a medir esta camada, e para isso, ele deverá decidir
entre adquirir ou desenvolver o mecanismo completo de medição, incluindo a bobina. A
ferramenta é constituída de um sistema informatizado que contém placas integradas
para uso de bobinas eletromagnéticas baseadas no método de ensaio não-destrutivo
chamado Correntes Parasitas.
Entretanto, para a construção e teste da bobina não se pode utilizar os elementos
que estão em uso ou já estocados nas usinas nucleares, pois não há no Brasil células
quentes para manuseio destes elementos. Assim, para fins de concretização da proposta
da dissertação, foi desenvolvido um procedimento experimental para criação em
laboratório de corpos de prova oxidados, semelhantes aos encontrados nas varetas reais,
que serão utilizados na calibração e construção da bobina. Com estes corpos de prova,
relacionou-se a amplitude do sinal de impedância causado pelo efeito lift-off à espessura
da camada oxidada nos tubos em função do tempo de oxidação e sugeriu-se por
regressão linear uma reta num gráfico que permite generalizar a medição das camadas
oxidadas na faixa de utilização real.
1.4 – Revisão Bibliográfica das Aplicações de Correntes Parasitas
Foram feitas revisões bibliográficas para os diferentes assuntos que compõem a
teoria na qual está embasado este trabalho. Assim, em cada capítulo, serão citados os
autores e suas contribuições. Entretanto, a seguir é descrita a revisão bibliográfica das
aplicações gerais do ensaio não destrutivo denominado Correntes Parasitas, que
conforme o objetivo do trabalho será utilizado para desenvolver e nacionalizar uma
5
outra aplicação importante para os elementos combustíveis nucleares, além dos testes de
verificação da integridade das varetas irradiadas.
Alencar et al. [2] cita que o ensaio por correntes parasitas possibilita a detecção
e o dimensionamento de descontinuidades em tubos de trocadores de calor, como
condensadores e geradores de vapor, fornecendo informações que auxiliam na avaliação
dos processos de degradação a que estes componentes estão submetidos em serviço.
Uma informação relevante obtida através deste ensaio é a profundidade das
descontinuidades detectadas e, portanto, a espessura de parede remanescente nos tubos.
Esta informação é de extrema importância para a avaliação da integridade destes
componentes, definindo a necessidade de substituição ou tamponamento de tubos que
apresentem descontinuidades.
Jiménez [3] utiliza o método das correntes parasitas para identificar a
porcentagem de gadolíneo em pastilhas com base em U235, inseridas dentro de varetas
de elemento combustível. A medição se baseia na captação da variação da
susceptibilidade paramagnética da pastilha, fazendo penetrar campos magnéticos
induzidos. As variações de homogeneidade detectadas são: variação da porcentagem de
óxido de gadolíneo na coluna de pastilhas; vazios entre as pastilhas; variação do
diâmetro e densidade das pastilhas; presença de impurezas metálicas nas pastilhas.
Todas estas inspeções se realizam com equipamentos de correntes parasitas trabalhando
em baixas freqüências (2 kHz) com bobinas absolutas.
Araújo et al. [4] apresentou no XXIV CONAEND em junho de 2006 em São
Paulo, novas aplicações da técnica de Correntes Parasitas na inspeção de caldeiras,
reatores e trocadores de calor. Ele mostrou a aplicação da técnica na detecção e
dimensionamento de trincas, medições de camada de revestimento, inspeção de
superfícies pintadas e avaliação de propriedades de materiais.
Ortega [5] usou técnicas específicas nas roscas fêmeas dos parafusos da tampa
do reator sueco Ringhals 2, onde detectaram descontinuidades que ao final, concluíram
ser um problema comum em várias centrais nucleares espanholas que tiveram o reator
fabricado a partir de Inconel 600.
Afonso [6] diz que o ensaio de correntes parasitas pode fornecer resultados
extremamente precisos, desde que seja aplicada a técnica correta e siga-se um
procedimento operacional adequado. Ensaios práticos em dois trocadores de calor de
processo na planta da Ultra Férgil em Araucária – PR, onde foi utilizado o método
absoluto e os resultados foram avaliados tomando-se como base tubos padrão usinados,
6
simulando alterações no fator de enchimento da sonda.
Ferraz [7] apresentou o uso de correntes parasitas na inspeção de combustíveis
nucleares do tipo placa, para reatores de pesquisa que vêm sendo desenvolvidos no
CDTN (Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear). São formados por um
arranjo de placas delgadas montadas em paralelo. Cada placa é constituída por um
núcleo de urânio enriquecido disperso em matriz de aço inoxidável AISI-348 e pelo
revestimento de aço inoxidável AISI-304. O revestimento é responsável pela retenção
de produtos de fissão que venham a ser formados no núcleo. Para verificar sua
integridade e qualidade de fabricação, alguns testes e ensaios são normalmente
aplicados. Ele apresentou os avanços obtidos numa pesquisa que estava sendo
desenvolvida com o objetivo de viabilizar o uso do ensaio de correntes parasitas como
método de controle de qualidade de fabricação de tais combustíveis. Ele concluiu que a
técnica, como método de controle da qualidade deste tipo de combustível nuclear, é uma
alternativa viável e que pode melhorar o nível de confiabilidade e qualidade destes
componentes.
O relatório de trabalho da Siemens B13/89/081 [8] instrui o teste de varetas
combustíveis, por correntes parasitas, em reparo de elementos combustíveis, em piscina
de elementos combustíveis. No elemento a ser reparado irradiado é utilizado o método
das correntes parasitas para identificar a vareta defeituosa e caracterizar o tipo de dano.
Para isso as varetas combustíveis são retiradas individualmente do EC aberto, e já
durante o processo de retirada são submetidas ao teste de correntes parasitas com
bobinas envolventes. A inspeção da vareta combustível é feita por dentro de uma sonda
circunferencial, onde com a calibração pré-estabelecida, é possível identificar defeitos
internos, externos ou transpassantes e alterações na condutividade, causadas, por
exemplo, por cordão de solda, mola do pleno ou falta de homogeneidade eventualmente
existentes. O teste da vareta combustível é conduzido com velocidade constante, através
do sistema de sondas calibradas. A movimentação da vareta combustível pode ser feita
com a haste de tração do dispositivo de troca de varetas combustíveis.
Azevedo et al. [9] nacionalizou a tecnologia de ensaio por Correntes Parasitas
em varetas contendo Gadolínio, conforme Jiménez [3], que permitirá a atuação na
própria INB (em produção de varetas contendo Gadolínio) e na Eletronuclear (no reparo
de elementos combustíveis). Através de documentação pesquisada na internet, foi
observado que a empresa Argentina ENUSA (Empresa Nacional del Uranio, SA) já
utiliza este sistema de medição.
7
1.5 – Definição dos Capítulos
O capítulo 2 apresenta breves noções de engenharia nuclear para poder explicar
o que é o elemento combustível. São apresentadas as etapas do ciclo do combustível
nuclear, o funcionamento de uma usina nuclear PWR, características específicas para a
seleção de materiais para uso na área nuclear, o elemento combustível e seus
componentes, além de alguns dos defeitos mais comuns nestes combustíveis.
Os fundamentos teóricos da técnica Correntes Parasitas são apresentados no
capítulo 3. Este capítulo também trata das vantagens e limitações do ensaio,
fundamentos, tipos de sondas mais utilizadas, técnicas de análises e padrões para
diversos tipos de aplicações.
A corrosão é um dos defeitos encontrados nos elementos combustíveis e por
isso, para este defeito foi dedicado um capítulo especial e importante: o capítulo 4. São
citados os efeitos da corrosão na integridade dos tubos e o código computacional PAD,
utilizado pela INB para projetar varetas e simular as condições de corrosão no reator.
O capítulo 5 descreve o experimento de criação de amostras de tubos de
Zircaloy-4 oxidados numa autoclave, utilizando o hidróxido de lítio como catalisador
nas condições similares de operação do reator. Foi feito em paralelo, um experimento
para a verificação do ganho de peso em outras amostras inseridas na mesma autoclave.
O projeto da bobina superficial para a medição do óxido é descrito no capítulo 6,
a partir das amostras feitas no experimento citado no capítulo 5. Durante a pesquisa
desta dissertação, descobriu-se que os EUA, a Coréia do Sul e a França possuem este
sistema de medição de camada de óxido, porém é uma tecnologia fechada e que o Brasil
para usá-la tem que comprar e pagar royalties. Por isso, neste trabalho desenvolveu-se a
tecnologia de construção da parte relativa à bobina, envolvendo os conceitos da técnica
de ensaios correntes parasitas para medição de camadas não condutoras, através do
efeito lift-off. A comparação foi feita entre duas bobinas, uma sobre um tubo oxidado e
outra sobre um tubo novo, gerando um sinal em Volts da amplitude da impedância, no
arranjo diferencial. Várias camadas foram criadas em função do tempo de oxidação em
que foram deixados os tubos e, portanto, foi feita um tabela correlacionando camadas
oxidadas em função das horas de exposição com o sinal da amplitude medida por um
sistema de medição computadorizado.
Finalmente, no capítulo 7 são apresentadas as conclusões e sugestões para
trabalhos futuros.
8
Capítulo 2: Reatores Nucleares e seus Elementos Combustíveis
2.1 - As Indústrias do Ciclo do Combustível Nuclear
O Ciclo do Combustível Nuclear (Figura 2.1) envolve as seguintes etapas:
Mineração, Conversão, Enriquecimento lsotópico, Reconversão, Fabricação de
Pastilhas, Montagem do Elemento Combustível, estando ainda representado o reator
nuclear para a geração de energia [10].
A Mineração é a primeira etapa do ciclo do combustível. Após o conjunto de
operações, que têm como objetivo descobrir uma jazida e fazer sua avaliação
econômica, prospecção e pesquisa, é determinado o local onde será realizada a extração
do minério do solo.
Figura 2.1 – Ciclo do Combustível Nuclear
Na usina de beneficiamento o urânio é extraído do minério, purificado e
concentrado sob a forma de um sal de cor amarela, conhecido como "yellowcake".
A conversão é a transformação do yellowcake (U308) em hexafluoreto de urânio
(UF6) e ela não é feita no Brasil. Reconversão é a operação oposta feita em Resende.
O enriquecimento isotópico é a operação de enriquecimento do urânio que tem
por objetivo aumentar a concentração do urânio 235 do urânio natural. O urânio natural
contém apenas 0,7% de urânio 235, e para permitir sua utilização como combustível
9
para geração de energia elétrica, necessita-se aumentá-lo para cerca de 3%.
A fabricação de pastilhas é o último processo químico do ciclo. O pó é prensado e
aquecido em forno de sinterização para atingir o formato de pastilha. Estas pastilhas de
dióxido de urânio (U02), que têm a forma de um cilindro de cerca de um centímetro de
comprimento e de diâmetro, são produzidas na Fábrica de Combustível Nuclear (FCN).
Essas pastilhas são introduzidas em varetas metálicas, denominadas varetas
combustíveis, que constituirão o elemento combustível. As varetas combustíveis,
fabricadas com tubos de Zircaloy-4, e rigidamente posicionadas em uma estrutura
metálica, formada por grades espaçadoras, tubos guias e dois bocais, um inferior e outro
superior, passam denominar esta estrutura de elemento combustível. Um elemento
combustível supre de energia 42.000 residências médias durante um mês.
Figura 2.2 - Detalhe da Vareta que Contém as Pastilhas no Elemento Combustível
Atualmente, o processo de enriquecimento é efetuado no exterior e o urânio
enriquecido é enviado em containeres para a Fábrica de Combustível Nuclear -
Reconversão. Parte desta etapa será realizada no país, com a utilização de tecnologia
desenvolvida pelo Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP) e instalação
das ultracentrífugas na FCN - Enriquecimento, INB em Resende.
2.2 - A Geração Termonuclear
Este tópico descreve de uma forma bem simplificada como é o funcionamento de
uma usina nuclear do tipo PWR – Pressurized Water Reactor. Maiores detalhes podem ser
vistos na referência [11]. As usinas nucleares são centrais termoelétricas – como as
convencionais – compostas de um sistema de geração de vapor, uma turbina para
transformação do vapor em energia mecânica e de um gerador para a transformação de
10
energia mecânica em energia elétrica. A geração de vapor, não ocorre em conseqüência da
combustão de um material combustível, como o carvão e óleo, e sim devido à fissão de
núcleos de átomos de urânio. A fissão nuclear ocasiona a transformação da matéria em
energia, através da divisão do isótopo U235, e novos elementos são formados, provocando
uma seqüência de fissões denominada reação nuclear em cadeia.
A fim de otimizar as reações nucleares costuma-se enriquecer o urânio antes do seu
uso nos reatores. Esta operação consiste simplesmente em aumentar o teor do Isótopo U235
(o único que se fissiona) na mistura de isótopos do urânio natural (U234, U235 e U238).
Somente o U235 na natureza tem a propriedade de se fissionar e portanto, sustentar uma
reação em cadeia.
Figura 2.3 – Diagrama dos Circuitos de um Reator do Tipo PWR
A Figura 2.3 ilustra a estrutura básica de uma central nuclear com reator a água
pressurizada. O calor produzido no reator, por fissões nucleares, é transportado por
meio de um sistema fechado de resfriamento do reator (circuito primário) nos geradores
de vapor para o circuito de vapor-água de alimentação (circuito secundário). O vapor
produzido nos geradores de vapor aciona o turbogerador. A circulação do refrigerante é
efetuada através das bombas do refrigerante primário. Um pressurizador, aquecido
eletricamente e ligado ao circuito primário, proporciona uma pressão tão alta (por
exemplo, 158 bar) que a água não chega a ferver, apesar da temperatura de saída do
reator ser relativamente alta (por exemplo, 320°C). A vazão varia entre 144 m3/h e 520
m3/h e o número de Reynolds fica em torno de 5 x 105. As paredes dos tubos dos
11
geradores de vapor, projetadas para trabalhar em altas pressões, separam os dois
circuitos. Deste modo, evita-se que nenhum material radioativo proveniente da área do
reator penetra no circuito secundário. Nos geradores de vapor produz-se em geral vapor
saturado (por exemplo, 54 bar, 269°C).
Nos reatores modernos a água pressurizada, o núcleo (Figura 2.4) consiste de um
número elevado de elementos combustíveis quase sempre iguais exteriormente, os quais
por sua vez se compõem de varetas combustíveis de cerca de 1 cm de diâmetro. Veja
abaixo na tabela 2.1 um comparativo dos números de elementos combustíveis da
Central Nuclear Almirante Álvaro Alberto. Uma parte dos elementos combustíveis
contém barras de controle, cujas varetas absorvedores penetram por cima no elemento
combustível.
Figura 2.4 – Foto do Interior do Reator de Angra II
Tabela 2.1 - Comparação dos Elementos Combustíveis de Angra I e II
12
A potência do reator é regulada por meio de absorvedores de nêutrons. Para
alterações rápidas de reatividade se aplicam as barras de controle. As alterações de
reatividade que ocorrem mais lentamente são compensadas com o ácido bórico
dissolvido na água, cuja concentração pode ser variada por meio de sistemas auxiliares
apropriados. Além disso, para compensar a elevada reatividade inicial da primeira
carga, também se utilizam recentemente absorvedores neutrônicos sólidos colocados
nos elementos combustíveis (conhecidos como venenos queimáveis), que queimam
gradativamente e são removidos por ocasião da primeira recarga.
A utilização da energia nuclear vem crescendo a cada dia. A geração
nucleoelétrica é uma das alternativas menos poluentes, permite a obtenção de muita
energia em um espaço físico relativamente pequeno e a instalação de usinas perto dos
centros consumidores, reduzindo o custo de distribuição de energia.
A energia nuclear deve ser também, no Brasil, uma opção energética segura e
necessária ao desenvolvimento do país, devendo, junto com a geração a gás, garantir as
grandes quantidades de energia demandadas, ainda neste século.
A energia nuclear é a terceira fonte de geração usada no mundo, com uma
participação de 16% no sistema elétrico mundial. Atualmente, 442 usinas nucleares
operam em 31 países, sendo que 17 destes países dependem da energia nuclear para
suprir, no mínimo, 25% de suas necessidades. Para ilustrar, vale registrar que a França
utiliza 78% de energia nuclear, a Alemanha utiliza 30% e os EUA em torno de 20%.
Comparado com outros tipos de geradoras, as usinas nucleares têm impacto
ambiental muito pequeno, não ocupam grandes áreas e nem liberam qualquer tipo de
rejeito sólido ou líquido, e têm total controle sobre todos os rejeitos que produz, pois os
elementos combustíveis queimados ficam armazenados nas piscinas de combustíveis
usados.
2.3 – Comentários sobre os Reatores Nucleares
Os reatores nucleares usam como princípio básico a fissão do núcleo de
determinados isótopos do urânio e plutônio através de nêutrons com energias
determinadas, gerando a cada fissão uma grande quantidade de energia (200 MeV),
produtos de fissão radioativos e nêutrons de altas energias. Como efeito da fissão de
vários núcleos, e com conseqüente emissão de nêutrons a cada fissão, é gerada uma
reação em cadeia que, controlada, pode ser utilizada para várias finalidades como, por
13
exemplo: servir de fonte de nêutrons para irradiação e ativação de materiais; servir
para gerar potência para diversas utilizações; servir para produzir materiais
transurânicos (plutônio principalmente), etc. Os reatores nucleares possuem os meios
para manter a reação em cadeia de forma controlada.
Pode-se basear a classificação de reatores nucleares sob os seguintes itens, de
acordo com a proposta de Perrota [12]: energia dos nêutrons utilizados para fissão,
propósito de funcionamento do reator, tipo de combustível e/ou refrigerante e/ou
moderador. Maiores detalhes sobre a classificação e teoria de reatores, podem ser
consultados na obra deste mesmo autor.
A tecnologia atual dos reatores a água leve – LWR (Light Water Reactor), que
inclui o PWR, comprovou ser econômica, segura e confiável. Mais do que 75 % de
todas as usinas nucleares em operação no mundo atualmente utilizam LWR.
2.4 - Propriedades Gerais e Especiais na Seleção de Materiais para Elementos
Combustíveis
No projeto de um reator nuclear e seus combustíveis, a seleção dos materiais é
uma etapa importante, pois envolve o conhecimento de suas propriedades para todas as
situações envolvidas e, principalmente, a mudança dessas propriedades num meio de
alta radiação. Os requisitos de propriedades materiais em reatores podem ser divididos
em duas categorias principais [12]:
i. propriedades gerais ou considerações básicas
ii. propriedades especiais ou considerações particulares
As propriedades gerais são similares às propriedades de materiais convencionais
na engenharia as quais são referidas na maioria dos projetos de engenharia. Na maioria
dos casos práticos a resistência mecânica, a integridade estrutural e a resistência à
corrosão decrescem com aumento da temperatura. Particularmente a condutividade
térmica do óxido de urânio e plutônio decresce drasticamente perto do ponto de fusão.
Além disso, o refrigerante pode vaporizar e tornar o reator instável a altas temperaturas.
A estabilidade térmica é essencial para a segurança do reator.
As propriedades especiais requeridas para materiais nucleares resultam das fontes
de radiação nuclear, ou irradiação, e das condições do sistema do reator. As
propriedades dos materiais podem ter uma grande variação sob irradiação.
14
a) propriedades neutrônicas - as propriedades neutrônicas consistem principalmente da
forma de interação dos nêutrons com o material. A interação pode dar-se por fissão,
captura e espalhamento. A medida da probabilidade da interação é denominada seção
de choque. Cada elemento de um determinado material tem uma característica
própria de seção de choque de absorção (captura ou fissão) e de espalhamento e a
seleção do material deve compatibilizar esta característica com a função do material
ou componente dentro do reator.
b) radioatividade induzida - a absorção de nêutrons térmicos ou rápidos em um reator
nuclear pode gerar transmutações nucleares e produção de isótopos instáveis e
estáveis. As partículas alfa e beta e a radiação gama emitidas durante as
transmutações nucleares e produção de isótopos são referenciadas como a
radioatividade induzida das reações nucleares. Se a radiação induzida tem uma meia
vida longa ou a radiação gama é de alta energia, haverá dificuldade em inspecionar,
reparar e desenvolver manutenção sob condições de intensa radiação.
c) estabilidade à irradiação - a irradiação com nêutrons no reator induz a mudanças
sensíveis nas propriedades físicas, mecânicas e metalúrgicas dos materiais. Além
disso, no combustível, com a fissão do Urânio ou Plutônio são produzidos produtos
de fissão, sendo alguns deles gasosos, o que gera uma mudança na matriz do material
combustível. Efeitos como inchamento e densificação são observados no combustível
e mudanças de propriedades mecânicas, como por exemplo, ductilidade e fluência
são observadas em materiais estruturais.
d) interação química e interdifusão de partículas - são freqüentemente observadas em
espécimes irradiados interações químicas e interdifusão de partículas entre o material
combustível e o material utilizado para revesti-lo. Em geral isto pode enfraquecer a
integridade estrutural e a estabilidade à irradiação, bem como deteriorar a
transferência de calor do combustível para o refrigerante.
Maiores detalhes sobre os componentes e materiais principais de um reator
nuclear, a classificação funcional e os combustíveis utilizados podem ser vistos nas
referências de [11] a [14].
2.5 – Apresentação do Elemento Combustível
A busca de materiais para uso em reatores nucleares, que apresentem baixa
15
seção de choque para absorção de nêutrons e no caso de tubos de revestimento do
combustível nuclear, que mostrem boa resistência mecânica e à corrosão, levou ao
estudo do Zircônio. Este metal por não apresentar boas qualidades mecânicas a altas
temperaturas a que submetido em regime de trabalho num reator, é estudado para
formar ligas que melhorem suas propriedades. Dessas ligas, uma das mais usadas
atualmente é o Zircaloy-4 que é predominante usado nos reatores instalados no Brasil. A
importância da utilização desta liga está relacionada a sua baixa seção de choque para
absorção de nêutrons, a um elevado ponto de fusão e a boa resistência mecânica e a
corrosão. Segundo Paiva [13], apesar do Zircônio ter sido considerado raro, sabe-se hoje
que ele é o 11º elemento mais abundante na crosta terrestre na frente do Níquel, Cobre e
Zinco. O Háfnio está sempre associado a ele (0.5 a 3%) e tem propriedades físicas e
mecânicas semelhantes, mas, no entanto é um absorvedor de nêutrons, o que faz com
que o Zircônio utilizado em reatores nucleares seja isento de Háfnio.
Os tubos de revestimento do combustível, fechados em ambas as extremidades
por meio de tampões soldados, servem para fixar o combustível, protegendo-o da ação
corrosiva e destrutiva do refrigerante, impedem a liberação de produtos de fissão para o
refrigerante e garantem, em razão de suas propriedades mecânicas especiais, segurança
na manipulação, assim como irradiação intensa e econômica do U02.
O Zircaloy-4, principalmente, dentre as ligas de zircônio, demonstrou ser
eficiente. Na Tabela 2.2 tem-se a composição química do Zircaloy-4. O Zircaloy-4 não
contém níquel como elemento de liga e representa um desenvolvimento posterior ao
Zircaloy-2. A base inicial para as ligas de Zircaloy é o chamado zircônio-esponja que,
devido às impurezas, não é suficientemente resistente à corrosão. Através da adição dos
elementos de liga tais como estanho, ferro e cromo, obtêm-se melhorias das
propriedades desejadas.
Tabela 2.2 - Composição da Liga de Zircaloy-4
Elementos % pesoSn 1,30Fe 0,20Cr 0,11O 0,118Si 0,01Zr Balanceado
No caso do Zircaloy, os limites de utilização são dados pela sua resistência à
corrosão e à deformação plástica, enquanto que a perda de dutilidade através da
16
corrosão por hidrogênio não deve mais ser considerada como fator limitativo.
A configuração geral dos elementos combustíveis para gerar calor e possibilitar
sua transferência para o refrigerante, como mostra a figura 2.5, é uma combinação de
varetas combustíveis num arranjo espaçado e reticulado, com algumas posições
previstas para a inserção de barras de controle. Os componentes são projetados para
atender uma série de exigências funcionais, conforme cita Carrilho [14].
Figura 2.5 – Apresentação dos Componentes de um Elemento Combustível Típico de Angra I
Este elemento combustível é do tipo (16x16)-20-I, que representa o reticulado de
16 x 16 varetas combustíveis diminuídas de 20 posições para tubos-guias e uma posição
para tubo de instrumentação.
Este reticulado de varetas é sustentado por um esqueleto de grades espaçadoras
de Inconel soldadas em alturas diferentes de tubos-guias, que por sua vez garantem os
canais para a passagem das barras de controle.
Os tubos-guias são conectados aos bocais superior e inferior, de aço inoxidável,
através de conexões aparafusadas, permitindo que estes bocais sejam retirados para
17
eventuais trocas de varetas, mesmo depois de irradiados. Sobre o bocal superior são
montados quatro conjuntos de molas de Inconel para a retenção do elemento
combustível no núcleo do reator.
As varetas combustíveis se fixam às grades espaçadoras por contato com molas
que as empurram contra batentes, permitindo seu deslocamento axial relativo à
estrutura. Como as varetas crescem acentuadamente com a irradiação, existe um espaço
livre entre elas e os bocais.
No circuito primário do refrigerante, a água, que serve também como
moderadora da velocidade de nêutrons, flui nos canais entre as varetas combustíveis da
parte inferior para a superior do elemento combustível, extraindo energia e entregando-a
ao gerador de vapor do circuito secundário.
2.6 - Estado da Arte dos Elementos Combustíveis - 16 NGF
O elemento combustível mais moderno existente para as usinas do tipo PWR
equivalente a de Angra I é o 16 NGF.
No VIII CGEN (Congresso Geral de Energia Nuclear) [15], em 1998, a INB
apresentou um trabalho demonstrando a viabilidade de se aumentar a capacidade da
reação nuclear (reatividade) do elemento combustível de Angra I através da redução do
diâmetro da vareta combustível deste elemento.
O interesse despertado por esse trabalho, aliado ao fato de que o elemento
combustível de Angra I serve igualmente nas centrais nucleares de Krsko, na Eslovênia,
e de Kori-2, na Coréia do Sul, levou à união da INB (Brasil), KNFC (Coréia) e
Westinghouse (USA) para desenvolver em conjunto o projeto do combustível
denominado 16 NGF (Next Generation Fuel).
Esse elemento combustível nuclear, paradoxalmente, atende ao desafio de
aumentar a quantidade de energia gerada empregando-se uma menor quantidade de
combustível. Isto se tomou possível através de uma melhor utilização do urânio (mais
energia gerada por unidade de massa de UO2), tendo em vista a obtenção de uma
queima de descarga mais elevada reduzindo o consumo e a quantidade de elementos
combustíveis dispostos na piscina durante a vida útil da central. Para atingir estes
objetivos, exigências quanto à alta performance em condições rigorosas de operação do
elemento combustível foram estudadas e soluções de engenharia foram implementadas
para cada caso. Núcleos de recargas nos reatores mais energéticos, por meio do aumento
18
dos fatores de capacidade da central, aumento de potência, extensão da queima de
descarga, aumentos dos fatores de pico, e maior resistência à corrosão química do
refrigerante são exemplos das soluções encontradas para a otimização na produção de
energia elétrica nas centrais nucleares.
Para o novo projeto de elemento combustíveis nuclear (16 NGF), muitas novas
características técnicas foram estudadas e implementadas.
Para a usina de Angra I, o planejamento atual é carregar quatro elementos
combustíveis 16 NGF logo após a substituição do gerador de vapor e o conseqüente
aumento de potência do reator a ser efetuada no início de 2008.
Na tabela 2.3 é mostrado a comparação entre as principais características dos
elementos combustíveis do tipo Standard e o 16 NGF.
Tabela 2.3 - Comparação entre as Principais Características dos EC 16 STD e 16 NGF
Característica 16 STD 16 NGF ObservaçãoQueima máxima na VC
(MWd/MtU)50.000 75.000 Maior energia gerada por massa de
UO2
Φ da vareta (mm) 9,500 9,144 Maior moderação de nêutrons(economia de 5,0 % por recarga)
Massa de UO2 por EC (kg) 413 378 Economia no custo da recarga eredução do rejeito/GWh
Enriquecimento máximo 3,80 5,00 Permite maior queima médiaVeneno queimável Pyrex Gd Permite maior queima média
Material das varetas e tubos Zircaloy-4 Zirlo Maior resistência à corrosãoMaterial das grades
intermediáriasInconel Zirlo Menor absorção de nêutrons
(economia de 1,6% por recarga)Grade misturadora Não Sim Maior margem térmicaGrade de proteção Não Sim Maior proteção contra debris
2.7 – Mecanismos e Causas Raiz de Falhas de Combustíveis
Foi feito por Wolter [16] um histórico das falhas nos reatores de Angra I e II
entre os anos de 2000 e 2006, e o resultado que se chegou, foi que a corrosão ficou em
3º lugar no ranking, de acordo com a tabela abaixo:
Tabela 2.4 – Histórico de Falhas
% falhas Tipo70,22 % Fretting3,78 % Debris1,65 % Corrosão24,35 % Outros defeitos
19
Este item apresenta um resumo dos principais mecanismos e causas raiz de
falhas em combustíveis de reatores de potência, descrito por Perrota [12]. A corrosão é
o defeito principal deste trabalho e será tratada no capítulo 5.
Defeitos de Fabricação
A maioria dos defeitos de fabricação está relacionada à fixação dos tampões de
extremidades da vareta combustível, principalmente devido a problemas na soldagem
(contaminação), e a defeitos micrométricos nos materiais dos tampões.
Hidretação Primária
Falha de vareta combustível por hidretação local é também conhecida como
"sunburst" devido a sua aparência metalográfica. Umidade residual em pastilhas, ou no
interior da vareta, leva a liberação de hidrogênio e ataque deste ao revestimento de
Zircaloy. Quando da falha da vareta, há ingresso de água levando também a hidretação
do revestimento, mas isto é caracterizado como hidretação secundária.
Atrito Grade Espaçadora-Vareta
Atrito grade espaçadora-vareta combustível é uma das principais e freqüentes
causas de falha de varetas combustíveis em reatores PWR. As principais causas raiz têm
sido identificadas como força de suporte da vareta insuficiente devido a projeto
impróprio ou problema de fabricação e vibração excessiva da vareta devido à
instabilidade elástica por cross flow no EC e pelo escoamento do fluido refrigerante.
Debris
Atrito por debris (fragmento metálico de qualquer espécie perdido na corrente de
água do sistema primário do reator) tem sido um mecanismo comum de falha de varetas
combustíveis para todos os tipos de reatores de potência. Vários tipos de debris
circulando no refrigerante do primário, principalmente lascas ou pedaços ou fixações
(porca, parafuso, etc.) de componentes estruturais do reator, penetram através do bocal
inferior e ficam retidos em alguma grade do EC (principalmente as inferiores), atritando
na vareta combustível e levando ao rompimento desta. Bocais com filtro anti-debris têm
sido utilizados atualmente, o que reduziu bastante a ocorrência de falhas em EC.
20
2.8 – Utilização dos Ensaios Não Destrutivos nos Elementos Combustíveis
Este item tem o objetivo de explicar as aplicações e limitações dos ensaios não
destrutivos (END) ultra-som, ACFM (Alternating Current Field Measurement) e
correntes parasitas no elemento combustível, principalmente quanto ao uso para a
medição de camada oxidada e inspeção de integridade.
O ensaio visual é feito no elemento combustível através de câmeras filmadoras
preparadas para trabalharem submersas e por si só, não é completo para a verificação da
integridade das varetas de EC. Este ensaio é sempre feito nas paradas das usinas para
recarga do núcleo e manutenção.
2.8.1 - Ultra-Som
Detecta descontinuidades internas em materiais, baseando-se no fenômeno de
reflexão de ondas acústicas quando encontram obstáculos a sua propagação, dentro do
material. Modernamente o ultra-som é utilizado na manutenção industrial, na detecção
preventiva de vazamentos de líquidos ou gases, falhas operacionais em sistemas
elétricos (efeito corona), vibrações em mancais e rolamentos. O ensaio ultra-sônico é,
sem sombra de dúvidas, o método não destrutivo mais utilizado e o que apresenta o
maior crescimento, para a detecção de descontinuidades internas nos materiais.
Chapot et al. [17] apresentaram no 2000 IEEE Ultrasonics Symposium um
método de inspeção de elementos combustíveis para reatores PWR, desenvolvido num
convênio entre a UFRJ, a UFRN e a Eletronuclear. Um protótipo foi construído para o
desenvolvimento da técnica. Pulsos ultrasônicos a uma freqüência de 25 MHz eram
incididos numa vareta e os sinais dos ecos dos tubos e das pastilhas eram analisados por
três métodos: estimação do envelope exponencial, discriminante linear de Fisher e redes
neurais. Em torno de 5000 sinais foram processados e 93% das varetas falhadas foram
corretamente identificadas, e menos de 2% fez soar um falso alarme de detecção. Porém
esta ferramenta tornou-se robusta demais e dificultou a operacionalização, sendo
descartada sua utilização real nos elementos combustíveis.
Os grandes fabricantes de equipamentos para ensaios não destrutivos General
Electric, Rem, Olympus e MODSONIC fornecem medidores de espessura por ultra-
som, com transdutores de duplo cristal, para medições com precisão de 0,1 mm até 60
mm e 0,5 mm acima de 60 mm, como o da figura 2.6 abaixo. Entretanto, as camadas
21
encontradas nos elementos combustíveis requerem precisão de microns e, portanto, a
técnica por ultra-som não atende o objetivo deste trabalho.
Figura 2.6 – Medidor de Espessura por Ultra-Som e suas Bobinas
2.8.2 - ACFM (Alternating Current Field Measurement)
A técnica ACFM foi usada inicialmente para a detecção de trincas de fadiga em
estruturas offshore tanto na região submersa como na emersa. As aplicações desse
método de inspeção têm sido estendidas internacionalmente para equipamentos
industriais como tubulações e vasos de pressão.
Essa técnica é capaz de detectar e dimensionar trincas na maioria dos metais em
ampla faixa de temperatura (ACFM não só detecta trincas abertas à superfície como
também determina seu comprimento e profundidade) e está sendo usada em substituição
aos ensaios convencionais, como partículas magnéticas e líquido penetrante. Hoje está
sendo utilizada na avaliação de descontinuidades geradas por outros mecanismos de
falha, estando disponível em aplicações semi-automáticas e automáticas.
A ACFM é uma técnica eletromagnética, derivada do ACPD (Alternating
Current Potential Drop) na medida que mede quantidades absolutas de campos
magnéticos superficiais produzidos por um campo magnético uniforme, induzido
paralelamente à trinca ou descontinuidade.
A aplicação para o diâmetro e espessura característica da vareta de EC, torna
inviável economicamente produzir sob encomenda uma bobina de ACFM para o ensaio.
22
Figura 2.7 – Equipamento AMIGO® e sua Utilização numa Solda Estrutural
2.8.3 – Correntes Parasitas
Conforme a proposta desta dissertação e a experiência na utilização deste
método na inspeção de integridade das varetas, de acordo com a referência [8], a
conclusão que se chega é que o ensaio por Correntes Parasitas é o mais viável
tecnicamente e economicamente, pela sua sensibilidade (precisão de microns) e
capacidade de detectar pequenas variações de espessura, camadas corrosivas finas e
descontinuidades superficiais.
Figura 2.8 – Ilustração Esquemática de uma Bobina Superficial sobre uma Chapa
23
Capítulo 3: Técnica de Correntes Parasitas
3.1 – Introdução
Na classe dos eletromagnéticos, o ensaio por correntes parasitas apresenta uma
ampla faixa de aplicação. Esse método de ensaio consiste em induzir correntes elétricas
numa peça eletricamente condutora, através de um campo eletromagnético variável e
em observar a interação entre as correntes induzidas e o material. As correntes parasitas
são geradas no material por meio de bobinas, quando são excitadas por correntes
elétricas variáveis. Observando-se a interação entre as correntes parasitas e o material,
através da monitoração da impedância elétrica da própria bobina, podem-se avaliar
propriedades elétricas e magnéticas desse material, inclusive sua integridade.
3.2 - Vantagens e Limitações do Ensaio
Como todos os demais métodos de Ensaios Não Destrutivos, Correntes Parasitas
apresenta muitas vantagens e limitações. Para Soares [18], são vantagens desse método:
• O sinal indicativo do estado do material é obtido sempre instantaneamente, não
havendo necessidade de esperar um tempo para ocorrer a revelação de
indicações.
• O método é sensível a várias propriedades físicas e metalúrgicas. Se as variáveis
que não apresentam interesse puderem ser eliminadas ou discriminadas, o
método pode apresentar uma larga faixa de aplicações.
• Não apresenta problemas de acoplamento entre bobina e a peça a ser ensaiada.
• Os equipamentos, na maioria das vezes, são alimentados por pilhas ou baterias,
caracterizando-se como portáteis.
• Sistemas de ensaios automatizados, instalados em linhas de produção, podem
inspecionar peças em velocidades altíssimas (30 m/s).
• Sistemas de ensaios por controle remoto podem ser usados, como por exemplo,
nas inspeções de tubos instalados em geradores de vapor de centrais nucleares.
• Os procedimentos de ensaio são prontamente adaptáveis a situações passa/não
passa.
São limitações desse método de ensaio [18]:
• Esse método de ensaio só é aplicável a materiais eletricamente condutores.
24
• A profundidade de penetração das correntes parasitas restringe-se, na maioria
das vezes, a menos que 6 mm.
• O sucesso do ensaio está diretamente relacionado à habilidade do sistema
operador/equipamento em suprimir variáveis indesejáveis.
• O ensaio de materiais ferromagnéticos é muitas vezes difícil de executar.
3.3 – Fundamentos do Ensaio de Correntes Parasitas
Seja uma bobina colocada sobre a superfície de uma chapa metálica, de modo
que seu eixo esteja perpendicular à superfície dessa peça, como na figura 3.1. Essa
amostra é caracterizada por uma permeabilidade magnética (µ), por uma condutividade
elétrica (σ), por uma determinada espessura (w), que é fator dimensional. Quando
alimentada por uma corrente elétrica alternada, a bobina produz um campo magnético
alternado, cuja direção é perpendicular à superfície da amostra, denominado campo
magnético indutor ou primário. A parte do campo magnético indutor que na amostra
induz correntes elétricas em sua superfície e no interior dela, são também denominadas
correntes parasitas ou eddy current em inglês. Essas correntes elétricas são alternadas,
fluem em planos paralelos às espiras da bobina de ensaio e produzem também um
campo magnético alternado, denominado campo magnético induzido ou secundário,
cuja direção é a mesma do campo indutor, porém em sentido oposto [18].
Figura 3.1 – Campo Magnético Alternado Induzindo Correntes Elétricas numa Amostra Metálica
Como se pode observar, haverá nessa região uma superposição dos campos
magnéticos primário e secundário, ambos influenciando a bobina, gerando nesta um
sinal que traz as características elétricas, magnéticas e geométricas da amostra. Pode-se
considerar que a bobina e a amostra formam uma só unidade e o sinal medido nela
25
depende:
• das características geométricas da bobina;
• da freqüência de ensaio (freqüência da corrente excitadora);
• das propriedades elétricas e magnéticas do material da amostra;
• das dimensões da amostra;
• da existência de descontinuidades na amostra.
A análise dessas dependências leva à conclusão que o método de ensaio por
correntes parasitas pode ser aplicado para:
• determinação das dimensões da amostra (espessura metálica, espessura de
revestimentos metálicos e não-metálicos);
• determinação de materiais (de acordo com a condutividade elétrica e a
permeabilidade magnética);
• detecção e avaliação de falhas (mudanças localizadas e/ou generalizadas das
propriedades do material).
Para uma melhor apresentação das equações que regem a geração de correntes
parasitas, recomenda-se a leitura da obra de Soares [18].
A bobina de ensaio reflete, portanto, a influência de dois campos magnéticos, ou
de dois fluxos magnéticos que ocorrem simultaneamente, o indutor e o induzido.
Conhece-se a impedância de uma bobina de ensaio que esteja afastada de qualquer
amostra condutora, a verdadeira impedância da bobina. Na presença de uma amostra
condutora, a impedância altera-se para um outro valor, ou impedância intrínseca.
Qualquer variação das correntes induzidas geradas na amostra, motivada por alterações
na condutividade elétrica, ou na permeabilidade magnética, ou nas dimensões ou pela
presença de descontinuidades na amostra, ou ainda pela ocorrência simultânea de todas
essas possíveis alterações, afetará o fluxo magnético resultante, refletindo na
impedância intrínseca da bobina de ensaio.
As correntes parasitas formam circuitos, circulando em planos perpendiculares
ao fluxo magnético. Isso significa que essas correntes circulam paralelamente ao
enrolamento da bobina de ensaio ou paralelamente à sua superfície. O fluxo das
correntes parasitas fica limitado à área do campo magnético indutor.
26
3.4 - Propriedades que Afetam as Correntes Parasitas
Pelo que foi visto no item de fundamentos, as propriedades dos materiais que
afetam o fluxo das correntes parasitas são: condutividade elétrica, geometria
(dimensões) do objeto e permeabilidade magnética.
3.4.1 - Condutividade Elétrica
Sabe-se que a condutividade elétrica e a resistividade são duas grandezas
elétricas inversamente proporcionais. Permite-se usar o sistema de medida de
condutividade I.A.C.S. (International Annealed Cupper Standard). No Sistema
Internacional, a unidade de condutividade elétrica é S/m (Siemens por metro), onde S/m
= 1 / Ω.m.
No sistema IACS o valor da condutividade do cobre puro recozido e à
temperatura de 20°C é arbitrado em 100% IACS e tomado como padrão. Na tabela 3.1
são apresentados os valores da resistividade e da condutividade elétrica de vários
materiais.
Tabela 3.1 - Resistividade e Condutividade de Materiais Metálicos
Material ResistividadeµΩ.cm
Condutividade% IACS
Prata 1,63 105Cobre recozido 1,72 100
Ouro 2,46 70Alumínio 2,82 61Magnésio 4,65 37Zircônio 50,6 3,4
Inconel 600 101 1,7
Para transformar resistividade (µΩ.cm) em condutividade % IACS, usa-se a
seguinte expressão:
IACSmaterial
material %172
ρσ =
A condutividade elétrica é uma propriedade característica de cada material.
Todavia, há certos fatores que podem mudar a condutividade de um material. O mais
importante para esta dissertação é a presença de uma camada condutora sobre um
material condutor, que muda a condutividade inerente do material base, de maneira
semelhante a de uma liga, que são combinações de outros metais e/ou elementos
27
químicos com um metal base, sobre a qual e a condutividade do metal base é mudada
para um valor relacionado à composição química da liga. Se a espessura da camada de
revestimento varia, a condutividade também varia. Essa mudança na espessura pode ser
detectada por correntes parasitas.
3.4.2 - Dimensão e Forma do Objeto Ensaiado
Sabe-se que a profundidade de penetração das correntes parasitas num material
depende da condutividade inerente do material (maior condutividade, menor
penetração), da freqüência de ensaio, (menor freqüência, maior penetração) e da
permeabilidade magnética (maior permeabilidade, menor penetração). No uso de
correntes parasitas, haverá casos em que, para as condições de ensaio utilizadas, o
campo magnético gerado não consegue "varrer" toda a espessura da peça, como é
mostrado na figura 3.2.a). Nesse caso, a inspeção de todo o material da peça que se
situar abaixo de uma dada espessura, poderá deixar de detectar descontinuidades
importantes e o objeto ensaiado é considerado muito espesso para as condições do
ensaio.
Pode-se ter a situação em que o objeto ensaiado apresenta espessura muito fina,
de modo que o campo magnético gerado ultrapassa toda essa espessura, como na figura
3.2.b). Nesse caso, um aumento na espessura do objeto, aparecerá no ensaio como se
houvesse um aumento na condutividade elétrica do material.
Figura 3.2 – Efeito da Espessura do Material nos Ensaios por Correntes Parasitas
3.4.3 - Permeabilidade Magnética
Se a intensidade do campo magnético indutor em vários locais varia mesmo que
muito levemente, essas pequenas variações apresentam um grande efeito sobre a
a) b)
28
impedância da bobina. Essas variações da impedância da bobina são, muitas vezes, tão
grandes (em comparação com variações provocadas por mudanças na condutividade ou
dimensões), que mascaram todas as outras variações. Quando a geometria da amostra
permite, este efeito pode ser contornado pela magnetização do material, até atingir a
saturação. Usa-se para isso, uma outra bobina, alimentada por corrente contínua. A
saturação magnética efetivamente elimina quaisquer variações do campo magnético
residual.
3.5 - Espaçamento entre a Bobina e a Peça
Quando a bobina de ensaio é superficial, o termo usado para descrever o efeito
que a variação do espaçamento existente entre ela e a peça provoca na formação do
sinal é denominado lift-off.
Uma bobina de ensaio, quando energizada e mantida no ar, longe de qualquer
material condutor, apresenta um determinado valor de impedância ao qual corresponde
um certo sinal apresentado pelo equipamento de ensaio. Se a bobina é levada para perto
de algum material condutor (chapa metálica), o valor inicial da impedância da bobina
começa a mudar, assim que o campo magnético indutor intercepta o material. Essa
variação da impedância continua até que a bobina se apóia inteiramente sobre o
material. Conseqüentemente, com a variação da impedância da bobina, variar-se-á
também o sinal apresentado no instrumento de indicação. Assim, pode-se usar o efeito
lift-off para medir espessuras de camadas de revestimento não condutor, tais como
tintas, camadas anodizadas ou camadas de óxidos, colocadas sobre metais condutores.
Figura 3.3 – Utilização do Efeito Lift-Off para Medir Espessura de Camada Não Condutora sobre Base
Condutora
29
3.6 - Tipos de Sondas para Ensaios por Correntes Parasitas
Os elementos sensores de qualquer modalidade de ensaio não destrutivo
representam, juntamente com o aparelho correspondente, um papel fundamental na
capacidade de detectar e avaliar com precisão descontinuidades existentes em diferentes
tipos de materiais, geometria e dimensões de equipamentos, peças e componentes. No
Ensaio por Correntes Parasitas, os elementos sensores são bobinas, as quais, em
diferentes formas, arranjos e tamanhos, compõem diversos tipos de sondas, para
diferentes aplicações. Além disso, o número de bobinas que compõem uma determinada
sonda pode variar em função do aparelho utilizado, ao qual a sonda é acoplada. A
classificação das sondas pode ser melhor visualizada no livro de Soares [18].
Numa inspeção, quando se utiliza o campo magnético gerado fora da bobina,
exatamente na região de um dos pólos magnéticos, diz-se que a sonda é superficial.
A sensibilidade de uma sonda superficial está diretamente ligada à área de sua
bobina, que tem a forma normalmente de um círculo; maior área significa menor
sensibilidade e vice-versa. Por outro lado, maior área da bobina, maior poder de
penetração das correntes parasitas, para uma mesma condição de freqüência e material
inspecionado.
A sonda superficial é indicada para inspecionar, em princípio, qualquer
geometria de superfície: plana, côncava ou convexa. Pode ser apresentada com uma
determinada área circular ou com uma área mínima, que lhe confere a denominação de
sonda tipo “lápis” ou “caneta”.
3.6.1 - Tipos de Sonda quanto ao Arranjo Elétrico de suas Bobinas
Sonda com um só Enrolamento
Quando uma sonda, seja bobina envolvente, sonda superficial ou interna, contém
apenas um enrolamento ou bobina, o arranjo disponível é, necessariamente, um arranjo
absoluto. Nesse caso, não há comparações e o sinal correspondente à detecção de
alguma descontinuidade compõe-se de apenas um lóbulo.
Sonda com Duas Bobinas, em Arranjo Diferencial
Quando uma sonda superficial, bobina envolvente ou sonda interna têm dois ou
30
mais enrolamentos, estes podem estar interligados na forma diferencial. Estando
próximos um do outro e alinhados, os dois enrolamentos comparam duas áreas
adjacentes de uma mesma amostra. Se, por construção, esses enrolamentos forem feitos
bem estreitos ou a área das bobinas for muito pequena, a sonda terá alta sensibilidade,
podendo detectar trincas de comprimento muito pequeno, pontos de corrosão
(“pitting”), etc. Trata-se, portanto, de uma técnica para detectar descontinuidades
localizadas, em que é feita uma comparação de uma região boa de uma amostra, com
outra região adjacente, considerada "ruim". A figura 3.4 mostra a passagem da sonda à
esquerda e a curva conhecida como “Lissajou” num plano XY do software de análise à
direita. No plano XY apresentado, o lóbulo superior refere-se à passagem da 1ª sonda
pela descontinuidade e o inferior, relacionando-se à passagem da 2ª sonda pelo defeito.
Figura 3.4 – Sonda Superficial em Arranjo Diferencial
Como se pode observar, o sinal característico de uma sonda em arranjo
diferencial apresenta-se sempre com dois lóbulos, seja para uma sonda superficial,
sonda interna convencional ou bobina envolvente.
3.7 – Técnica da Análise de Fase
3.7.1 - Fundamentos da Técnica
Impedância é uma grandeza, cuja apresentação está associada a um módulo e a
um ângulo de fase. Assim, toda mudança de impedância é acompanhada de uma
mudança na amplitude e na fase do sinal e a mudança na fase traz também informações
sobre as condições do material. Se uma variação de impedância puder ser analisada em
termos do módulo dessa variação e da mudança de fase, um maior número de
informações poderá ser obtido sobre o material inspecionado. A técnica de análise da
fase é fundamentada nos diagramas de plano de impedâncias, onde se observam os
efeitos das variações de condutividade, de distância sonda-amostra, de freqüência e de
31
espessura do material.
A representação do diagrama de impedância, desdobrada numa parte resistiva
(inerente do material) e parte indutiva pode ser vista na figura abaixo:
Figura 3.5 – Diagrama de Impedância
A impedância elétrica Z é dada pela expressão 22 XRZ += . O ângulo de fase
entre a corrente e a tensão elétrica é dado pelo ângulo formado entre a reatância X e a
resistência R. Assim, o ângulo de fase é igual ao arctg (X / R).
A determinação da indutância L depende da geometria da bobina e a
determinação pode ser complexa para modelos reais. Por simplicidade, consideramos o
exemplo de uma bobina ideal. Neste caso, o campo é uniforme e é dado por B = µ0.i.n,
onde µ0 é a permeabilidade magnética do meio, n é o número de espiras por unidade de
comprimento e i a corrente elétrica. Assim, n = N / l, onde N é o número total de espiras
e l é o comprimento da bobina. Considerando S a área da seção transversal, o fluxo será
Φ = ∫ B.dS = B.S = µ0.i.N.S / l. Ou B = k.i, onde k = µ0 .N.S / l. Outra definição para
indutância é L = k.N e, portanto, L = µ0.N2.S / l .
3.7.2 - Diagramas do Plano de Impedância
Os diagramas de plano de impedância apresentados são originados de interações
de uma sonda superficial com amostras de superfície plana. Existem duas curvas a
serem analisadas: a curva de condutividade e a de lift-off.
No diagrama do plano de impedância, a curva da condutividade é obtida
colocando-se a sonda superficial sobre a superfície plana de amostras de diferentes
condutividades de materiais não ferromagnéticos e suficientemente espessos para que
pequenas variações da espessura não tragam perturbações.
X= w.L
Âng.fasee
R
Z
Com
pone
nte
indu
tiva
Componente resistiva
32
Figura 3.6 – Formação da Curva de Condutividade num Diagrama do Plano de Impedância
Na figura 3.6, se os pontos de A a E forem ligados por uma linha contínua, tem-
se uma curva denominada curva de condutividade.
Para obter a curva do "lift-off”, considera-se que a bobina de ensaio é afastada
de uma determinada amostra, como por exemplo, de uma amostra cujo material é o
cobre recozido (100% IACS). Considera-se agora que o único fator a variar é a distância
bobina-amostra. Quando a bobina está em contato com a amostra, a impedância está
sobre a curva da condutividade, no ponto 100% IACS. Se a bobina é afastada da
amostra, a impedância move-se na direção da linha tracejada da figura 3.7. A bobina,
estando muito afastada da amostra, a ponto de não sofrer sua interferência, faz com que
a impedância caia novamente na curva da condutividade, desta vez no ponto 0% IACS.
Uma familia de curvas de "lift-off" pode ser traçada, usando-se o mesmo
procedimento acima, isto é, afastando-se ou aproximando-se a bobina de ensaio de
outras amostras de materiais diferentes.
Figura 3.7 – Curva do Fator Lift-Off num Diagrama do Plano de Impedância
0 % IACS
Reatância indutivada bobina
Resistência da bobina
B
C
A
D
100 % IACSE
Curva da Condutividade
Resistência da bobina
Reatânciaindutivada bobina
100 % IACS
0 % IACS Ar
Curva do lift-off
33
Capítulo 4: Corrosão no Revestimento das Varetas Combustíveis
4.1 – Introdução
A propriedade que possuem certos metais e ligas de resistirem à corrosão e à
oxidação a temperaturas diferentes da ambiente deve-se à formação de uma camada de
óxido sobre a superfície do metal, da natureza desse óxido, sua aderência ao metal-base,
sua permeabilidade, sua composição química, sua estrutura, seu ponto de fusão e seu
ponto de volatilização, é que depende a maior ou menor capacidade do metal resistir à
oxidação e ao ataque do meio circunvizinho.
Em se tratando de elemento combustível nuclear para reatores PWR, corrosão é
uniforme na superfície do revestimento, e falha de vareta combustível por corrosão
uniforme excessiva é bastante rara em condições normais de operação do reator.
A princípio se forma um óxido quase negro, altamente aderente, condutor de
ânions, que ao atingir uma camada mais espessa, ou seja, após o ponto de transição, se
colore de branco acinzentado. Com camadas muito espessas, que não são atingidas
durante a vida do combustível, o óxido, que foi se rachando pouco a pouco, se esfolia.
Segundo Paiva [13], uma fração do hidrogênio liberado no decorrer da oxidação,
é absorvida pelo metal devido a sua grande afinidade com o zircônio, depois de passar
através do óxido. Após exceder a capacidade de dissolução na liga, a fração de
hidrogênio se separa na forma de hidreto de zircônio dentro da estrutura cristalina. A
quantidade de hidrogênio que se precipita é determinada pela solubilidade, que aumenta
com a temperatura, tendo valor baixo à temperatura ambiente. O efeito importante disso
é baixar a dutilidade do material, contribuindo ainda para a formação de trincas e
fissuras. A orientação preferencial das plaquetas de hidreto, que se separam, pode ser
totalmente influenciada pelo tipo de etapas de deformação utilizado na fabricação dos
tubos (produção de texturas). Além disso, tanto tensões externas de tração como
também tensões externas de compressão, quando atingem um nível determinado, podem
levar à reorientação dos hidretos.
Água e vapor atacam o Zircaloy e o processo de formação do óxido envolve
liberação de hidrogênio, que é absorvido e dissolvido no metal, segundo a equação:
Zr + H20 => Zr02 + H2
34
Figura 4.1 – Oxidação Acentuada nas Varetas do Elemento Combustível
A camada de óxido gerada protege o material e se comporta como uma barreira
frente ao ingresso de hidrogênio. Entretanto, quando esta camada se torna muito grossa
(da ordem de 20 µm) podem aparecer fissuras, ao mesmo tempo que diminui a
eficiência de transferência de calor através da parede do revestimento. A fratura desta
capa de óxido facilita o ingresso de hidrogênio, e quando isso ocorre, ao se precipitar
em forma de hidratos, deteriora as propriedades mecânicas do material.
As ligas de Zircônio foram desenvolvidas para uso em revestimentos de
combustíveis nucleares, entre outros componentes, no início dos anos 50. Um grande
número de trabalhos que tratam do comportamento da corrosão em ligas de Zircaloy,
mecanismos de aceleração e desenvolvimento de novas ligas têm sido publicados.
4.2 - Efeito da Corrosão na Integridade dos Tubos
De acordo com o EPRI [19], o maior efeito da corrosão na integridade dos tubos
de revestimento resulta de dois processos:
1 - a formação de camadas de Zr02 causa a perda de espessura no revestimento e
2 - a absorção de hidrogênio pela liga de zircônio causa fragilização no
revestimento.
Os fatores que afetam as reações acima descritas incluem a temperatura da
superfície, a química e a microestrutura do material do revestimento, o resfriamento
local e a química do refrigerante.
A taxa de corrosão das ligas de zircônio é controlada primeiramente pela
temperatura da interface metal-óxido (Zr/ZrO2). A temperatura de interface durante a
35
operação é sempre maior que a do refrigerante. Com o crescimento da espessura de
óxido, a temperatura da interface aumenta e cria um ciclo de crescimento da taxa de
corrosão. Este efeito é o maior fator que acelera a corrosão com o aumento do burn-up
(queima do combustível). Além da temperatura, a variabilidade do material do
revestimento também é um dos responsáveis pelo processo de corrosão. Testes no reator
e em laboratórios confirmam que a taxa de corrosão pode ser reduzida através de um
cuidadoso controle da composição química do revestimento e do processo de
manufatura.
Algumas variáveis da química da água do reator podem impactar a avaliação da
corrosão no revestimento. As duas maiores variáveis são: depósitos de produtos de
corrosão e o hidróxido de lítio.
O ácido bórico é usado no circuito primário do reator PWR para controlar a
reatividade, pois é um moderador [20]. Para controlar o pH do sistema do primário pela
presença do ácido bórico, o hidróxido de lítio é adicionado ao sistema. Ele aumenta seu
pH para faixas de 7,2 a 7,4 durante a operação, que resulta na redução dos níveis de
atividade do circuito primário. Controlar o pH do circuito primário ajuda minimizar a
deposição de crud (Chalk River Unidentified Deposit, identificado pela primeira vez na
central nuclear do Chalk River, compostos principalmente de óxidos de Fe-Zn-Mn-Ni)
na superfície dos tubos de Zircaloy. Minimizar o crud na superfície do tubo pode
resultar em menores temperaturas do revestimento e menores taxas de corrosão. A
operação de um sistema com pH de 6,9 é requerida para minimizar a deposição de crud
na superfície do metal. No fim do ciclo, o pH se aproxima de 7,4, onde a concentração
de LiOH chega a 3,5 ppm.
A taxa de corrosão é função da reação de oxidação que ocorre em função da
temperatura do metal de base. Existe uma fase de pré-transição e uma de pós-transição
associadas com a queima do óxido e o peso ganho na superfície do metal.
Na fase de pré-transição, para uma temperatura de metal constante, o peso ganho
versus o tempo é uma relação não-linear:
tCwn .=
onde:
w é o peso ganho
n é aproximadamente 3
C é uma constante, e
t é o tempo.
36
Na fase de pós-transição, para uma temperatura de metal constante, o peso
ganho versus o tempo é uma relação linear: tCw .= .
De acordo com o manual do PAD [20], produtos de corrosão depositados na
superfície das varetas do combustível contribuem para o aumento da temperatura do
revestimento e das taxas de corrosão, e em alguns casos, ajudam a evoluir as falhas no
revestimento. Historicamente [19], depósitos coletados no fundo das piscinas durante a
inspeção dos elementos e analisadas em laboratórios, têm mostrado que há a presença
de óxidos de níquel e ferro não-estequométricos, NiXFe3XO4, onde tipicamente
0,4<X<0,8. Estes produtos são diferentes dos crud.
Para Kim et al. [21], este tipo de corrosão tem sido um fator de limitação da vida
potencial útil no melhoramento da eficiência em reatores do tipo PWR, pois o
desenvolvimento de novos reatores e características das plantas térmicas não tem sido
acompanhado por novas ligas. O aumento da temperatura de operação deve ser
acompanhado pelo aumento da capacidade de resfriamento, pois o que ocorre é que
aumentando a temperatura na superfície do revestimento, aumenta conseqüentemente a
taxa de corrosão.
Melhoramentos no revestimento de Zircaloy-4 tem permitido alcançar 100 µm
na camada de óxido em burn-up na faixa de 50 a 55 GWD/MtU. Dois fabricantes de
combustíveis para reatores PWR oferecem ao mercado ligas que reduzem a
susceptibilidade a corrosão em tubos de revestimentos. ZIRLO®, uma liga de zircônio
contendo aproximadamente 1% Sn, 1% Nb e 0,1% Fe, foi introduzido pela
Westinghouse nos anos 90. M5, uma outra liga de zircônio contendo 1% Nb e com as
quantidades de oxigênio e enxofre controladas, foi introduzida pela Framatome nos
EUA no final dos anos 90. Ambos ZIRLO® e M5 têm exibido um crescimento na
resistência à corrosão de revestimentos, e redução do hidrogênio capturado, tanto
quanto a melhoria em outras propriedades, como a estabilidade dimensional. As duas
novas ligas e suas variações são agora os novos padrões da indústria nos PWR.
Uma quantidade numerosa de trabalhos trata do comportamento da corrosão nas
ligas de Zircaloy e um dos aspectos mais importantes elucidados são as causas da
aceleração da corrosão uniforme nos tubos de revestimento de Zircaloy-4 em PWR.
O fenômeno de aceleração da corrosão tem se tornado claro com a experiência
dos operadores no acompanhamento do crescimento da capacidade de queima (burn-up)
dos PWR. Baseado nos resultados, o estanho contido no Zircaloy-4 tem sido reduzido
37
para atender e minimizar a taxa de corrosão. Isso caracteriza o Zircaloy-4 baixo estanho,
que é um novo padrão para a indústria e é amplamente utilizado.
Kido et. al [22], citam que as hipóteses para as causas da corrosão uniforme
acelerada em PWR durante elevados burn-up devem ser categorizados assim:
1. Degradação da condutividade térmica do ZrO2 com o espessamento do óxido:
Dois fatores que afetam a condutividade térmica do óxido são: o acúmulo do
dano da irradiação e a mudança da densidade do óxido. Os resultados da medição dos
óxidos em reatores PWR são insuficientes. A extensão deste efeito não é totalmente
compreendida por Kido et. al [22] para explicar completamente a aceleração da
corrosão e poucos modelos de corrosão têm sido utilizados para este efeito. Uma
explicação cabível para este fator é a possibilidade de uma maior degradação da
condutividade térmica do óxido durante a operação devido à formação de uma fase de
vapor nos poros ou fissuras do óxido.
2. Perda da resistência à corrosão da matriz do Zircaloy devido a alterações na
microestrutura devido à radiação:
Na última década, a relação entre a distribuição de partículas intermetálicas e o
comportamento da corrosão nos componentes internos do reator tem sido bem
estabelecida. Investigações de Garzarolli e Smerd [23] em reatores BWR confirmam
que há um tamanho apropriado de distribuição das partículas intermetálicas que
favorecem uma interpretação da corrosão no reator. Em outras palavras, a redistribuição
das partículas intermetálicas durante a irradiação mostra ter uma influência na
resistência à corrosão nos materiais de reatores do tipo BWR.
A taxa de corrosão em materiais irradiados em vapor de 946 ºC é aumentada por
um fator de aproximadamente quatro vezes, comparado a materiais não irradiados. A
irradiação neste reator ocorre em temperaturas menores do que poderia ocorrer em
revestimentos do reator PWR. Como este fenômeno é dependente da temperatura e
ocorre em baixas temperaturas, devem ser cuidadosamente aplicados os resultados nos
materiais usados no PWR. A temperatura no revestimento dos tubos com óxidos em
torno de 60 µm é de aproximadamente 260 ºC. Em torno deste nível de temperatura, a
dissolução das partículas intermetálicas é relacionada ao amadurecimento. Este efeito
38
aumenta a resistência à corrosão, e conseqüentemente a taxa de corrosão deve decrescer
na região onde a espessura da camada oxidada excede os 60 µm.
3. Acumulação de lítio no ZrO2 e perda de proteção natural na interface metal-óxido
A influência do lítio nas propriedades da corrosão no Zircaloy tem sido
investigada há mais de 30 anos, principalmente nos testes em laboratório [22]. Embora
há muitos argumentos sobre o efeito determinante do lítio, uma correlação entre a taxa
de corrosão e a concentração de lítio nos óxidos formados parece ser um bom
argumento. Não existem dados reais do reator que nos possibilite comparar esta
correlação; somente modelos empíricos expressam esta relação.
4. Efeito da presença de hidretação no zircônio
A primeira tentativa para explicar o aumento da corrosão em altos burn-up em
PWR com o efeito da precipitação de hidratos foi conduzida por Garde [24]. Outros
dados apresentados recentemente por Kido et al [22] mostraram em testes de amostras
pré-hidretadas por gases e precipitadas em vapor feitas em laboratórios, que a influência
de camadas hidretadas parece dominante. Embora análises dos efeitos da hidretação no
comportamento da corrosão terem sido feitos quantitativamente, existem poucos dados
deste efeito em função da temperatura.
4.3 – Código PAD – Simulação Computacional da Corrosão
4.3.1 – Descrição
A Westinghouse Electric Company desenvolveu o código PAD [20], que está na
versão 10.5.2 para ser a principal ferramenta de projeto e avaliação da performance das
varetas combustíveis. O código calcula iterativamente os efeitos inter-relacionados de
temperatura, pressão, comportamento elástico e plástico do revestimento, liberação de
gases de fissão, densificação e inchaço das pastilhas em função do tempo e da potência
do reator. O código avalia também o histórico de potência das varetas considerando
picos e alterações do nível de potência. O comprimento da vareta é dividido em vários
segmentos axiais, entre 5 e 49, e cada segmento assume uma operação e configuração
39
constante. Os efeitos são integrados para obter a liberação total dos gases de fissão e
conseqüentemente, calcula a pressão interna resultante em cada seção de tempo.
Esta é a ferramenta que a INB possui para a análise e acompanhamento
quantitativo da camada de óxido do elemento combustível. Entretanto, durante as
paradas das usinas, é feita a inspeção visual da superfície destes elementos, porém é
impossível mensurar a oxidação através de sistemas comuns de TV.
4.3.2 - Critérios de Corrosão para o Projeto das Varetas de Elementos
Combustíveis
No projeto da vareta, o critério de projeto para o revestimento das varetas deve
obedecer aos seguintes parâmetros, segundo o PAD[20]:
1. No revestimento do Zircaloy-4 ou do Zirlo®, a temperatura da interface metal-óxido
não deve exceder os seguintes limites:
Zircaloy-4 Zirlo®
400 ºC 415 ºC
2. A estimativa de hidrogênio capturado no revestimento das duas ligas não deve
exceder 600 ppm em volume médio no fim da vida.
3. O estado permanente na oxidação do revestimento das duas ligas deve ser
considerado no cálculo da oxidação total no caso de LOCA (Loss of Coolant
Accident). O critério de aceitação LOCA 10 CFR 50.46 diz que a oxidação máxima
local não deve exceder 17 % da espessura do revestimento.
4. A espessura máxima do óxido não pode exceder 100 µm.
Estes critérios estão de acordo com a norma ASME, seção III. O modelo
utilizado pelo código foi feito em 1996 e é conhecido como ZrBA model. Ele foi obtido
na medição da camada de óxido ao longo de vários anos em revestimentos de tubos de
Zircaloy-4 das usinas nucleares americanas. A medição feita considerou para o
desenvolvimento do modelo a espessura média circunferencial de óxido no
revestimento. A seguinte fórmula representa o ZrBA model:
dw/dt = Fmaterial * Fflux * Fóxido * FLi * FLi-dia * Fboil * dwth/dt
40
onde:
−
= T
1,135066858,20
th exp/dtdw , taxa de corrosão em [(mg/dm2)/dia] com T sendo a
temperatura da interface metal-óxido em Kelvin.
Fmaterial = 1,0 para Zircaloy-4
Fflux = 1 + 0,035 x 10-13 x fast flux [n/cm2-seg, E>1 Mev]
Fóxido = 1 + 0,53 x [espessura do óxido(microns) – 0,20], para óxidos com mais
de 74 mg/dm2
FLi = 1 + 0,06 x Li, onde Li é a concentração atual de Lítio em ppm
FLi-dia = 1 + 6 . 10-8[Li-dia]2, onde Li-dia é a exposição acumulada de Lítio em
ppm-dia
Fboil = 1 + 0,0015 x [q”boil / hv], onde q”boil é o fluxo de calor durante a
evaporação e hv é o coeficiente de calor de vaporização.
41
Capítulo 5: Experimento de Oxidação Forçada em Tubos de Zircaloy-4para a Criação de Corpos de Prova
5.1 – Introdução
Este capítulo propõe descrever como foi o experimento laboratorial para a
criação de corpos de prova oxidados de Zircaloy-4, cuja camada foi medida em
microscópio, com o intuito de servirem de padrões para a definição de uma lei para a
bobina superficial de medição de camada de óxido. O ZrO2 cresce sobre o Zircaloy-4
nas condições do reator, e comporta-se como um dielétrico e, portanto, pode-se utilizar
o método de correntes induzidas para a avaliação de espessuras deste tipo de óxido,
realizando medidas de lift-off, ao medir a distância entre o sensor e o material condutor.
Investigou-se a linearidade do sistema, para o qual se preparou um dispositivo
mecânico de fixação das bobinas e apoio dos corpos de prova, mediante o qual se
observou que a tensão induzida no secundário é uma função linear da distância entre a
sonda e o metal (efeito lift-off).
5.2 – O Experimento
Este trabalho propõe criar e nacionalizar uma ferramenta para inspecionar e
medir a camada de óxido em tubos de revestimento de elementos combustíveis
nucleares irradiados de reatores do tipo PWR. A ferramenta é constituída de um sistema
informatizado que contém placas integradas para uso de bobinas eletromagnéticas
baseadas no método de ensaio não-destrutivo chamado Correntes Parasitas.
Entretanto para o teste da bobina não poderemos utilizar as varetas dos
elementos que estão em uso ou já estocados nas piscinas de combustíveis usados das
usinas nucleares, pois elas contêm os resíduos do decaimento radioativo do urânio e não
há no Brasil células quentes para manuseio destes elementos. Assim, para fins de
concretização da proposta da dissertação, foi desenvolvido um procedimento
experimental para criação em laboratório, da oxidação do ZrO2 semelhante à encontrada
in-situ. Para a medição da camada oxidada, a vareta pode estar vazia, e por isso,
amostras de Zircaloy-4 certificadas e novas foram retiradas do almoxarifado da INB
para este experimento.
42
5.3 – Princípios do Experimento
Conforme foi falado no capítulo que trata da corrosão, é bem conhecido que a
adição de grandes quantidades de LiOH acelera severamente a corrosão de ligas de
Zircaloy, tal como o Zircaloy-4. Entretanto, o mecanismo de corrosão destas ligas não é
completamente entendido, mas diversos pesquisadores têm sugerido várias teorias e
modelos durante os últimos 35 anos. Destes pesquisadores, Hillner e Chirigos [25]
relataram que a corrosão era acelerada pelo aumento de vacâncias aniônicas causadas
pela substituição de íons Li+ pelos íons Zr4+ nas camadas oxidadas. Kim et al. [21]
também afirmaram que uma significante aceleração da cinética da oxidação das ligas de
Zr em hidróxidos de metais alcalinos, tais como NaOH, KOH, RbOH e CsOH estavam
ausentes, exceto soluções aquosas de LiOH. Então, eles insistiram que a substituição de
Li+ com Zr4+ em camadas de óxido ocorriam facilmente durante a reação de corrosão
por causa do tamanho similar dos íons Li+ e Zr4+, e isto acelera a corrosão.
Kido et al. [22] relatam que a corrosão do Zircaloy carregado de hidrogênio é
acelerado quando o nível do hidrogênio é mais alto que o limite de solubilidade na
temperatura de corrosão. Simultaneamente, o metal quase hidretado, composto
principalmente de zircônio hidretado, foi formado numa matriz de metal próxima da
camada oxidada, por hidrogênio absorvido de uma solução aquosa de corrosão durante a
reação de corrosão. Isto foi reportado também por Kim et al. [21] que a hidretação
contribui mais fácil e rapidamente para a oxidação do metal quando comparada com
uma matriz sem hidretação. Assim, as ligas de zircônio que têm muitos destes
elementos hidretados são mais propícias à corrosão em várias soluções corrosivas, mas
com o zircônio hidretado pré-existente, já formado na matriz metálica, o
Figura 5.1 – Micro-Estrutura do Zircaloy-4
43
comportamento da corrosão nas ligas de zircônio não foram amplamente estudadas
ainda, especialmente em soluções aquosas de LiOH.
5.4 – Descrição do Procedimento Experimental
A preparação de corpos de prova para tratamento na autoclave foi feita de
acordo com o procedimento criado para este ensaio. De acordo com este documento,
feito em conjunto com o Engenheiro Químico André Luiz Pinto da Veiga, e baseado no
artigo de Perrotti et al. [26], tubos de revestimento de 300 mm são expostos dentro da
autoclave, para ensaio de corrosão acelerada, em solução de LiOH a 350 ºC e 170 bar.
Esta técnica permite obter espessuras de óxido mensuráveis e que
posteriormente são cortados corpos de prova de 50 mm, sendo 5 mm retirados e
embutidos em resina (baquelite) e preparada para ensaio metalográfico para a medição
direta da espessura do óxido por microscopia óptica, com um aumento máximo de 1650
vezes. Os 45 mm restantes são usados como padrões para calibrar a bobina do ensaio
por correntes parasitas.
5.4.1 – Materiais Utilizados
Utilizou-se o LiOH como catalisador, a 2000 ppm, diluído em 1 litro de água
desmineralizada, e preparou-se a solução, conforme descrito no item 4.
Nas condições do ensaio em pressão e temperatura similares aos dos reatores em
operação (350ºC e 170 bar), foram inseridas na autoclave 12 amostras de tubos de
revestimento de Zircaloy-4 com 300 mm de comprimento, vedados na extremidade
inferior com tampões terminais de Zircaloy-4 encaixados por interferência, identificados
com marcação vibrográfica de 1 a 12 nas suas extremidades superiores.
O procedimento de simulação das condições do reator foi feito na autoclave do
Laboratório de Metalurgia e Materiais das Indústrias Nucleares do Brasil em
Resende/RJ.
Aproveitando o mesmo tempo de execução do experimento, foram postos quatro
corpos de prova, com o objetivo de se medir o peso ganho com a oxidação e comparar
com a literatura internacional.
44
5.4.2 - Equipamentos Utilizados
Para este experimento foram utilizados os seguintes equipamentos e utensílios:
- Autoclave de aço inoxidável com volume útil de 2 litros;
- Máquina de corte com disco circular abrasivo;
- Equipamento para embutimento de amostras;
- Máquina de polimento de amostras;
- Microscópio óptico metalográfico Versamet com ampliação de 800 vezes e
escala para medição;
- Balança de precisão;
- Copo de Becker;
- Vidro de relógio;
- Capela com exaustão;
- Caneta vibrográfica;
- pHagâmetro digital.
5.4.3 - Conjunto de Amostras
Preparou-se uma seção de grade de inconel de 5 x 5 células utilizada como
dispositivo para fixação de 12 seções de tubos de revestimento.
Figura 5.2 - Foto dos Componentes antes do Experimento Ensacados após o Desengorduramento
Quatro seções de tubo de 30 mm de comprimento, identificados com pequenos
pontos em número de 1 a 4 pontos, para servirem de amostras de ganho de peso foram
45
pendurados com arame de aço inoxidável nas células internas da seção de grade
utilizada para fixação. A função destes tubos será melhor descrita no item 5.5.
Figura 5.3 – Foto Final dos Corpos de Ganho de Peso
Figura 5.4 – Arames onde Foram Pendurados os Corpos de Ganho de Peso
A seção de grade utilizada para fixação esteve situada a 15 cm da extremidade
inferior das seções de tubos utilizadas para corpos de prova, para ficar acima do nível de
água na fase líquida durante a estabilização da temperatura e pressão na autoclave do
experimento. Calculou-se que o título é de apenas 2,9 % e, portanto, a coluna de água
líquida na condição ambiente permanece quase toda líquida (97,1 %) nas condições de
pressão e temperatura do ensaio, confirmando que a grade permanece fora da água,
quando fica numa altura maior que 15 cm.
Figura 5.5 – Tubos com Tampão Sendo Inseridos na Seção de Grade
46
A orientação foi que todas as introduções dos tubos na seção da grade deveriam
ser feitas a partir da extremidade superior destes para evitar riscos indesejáveis que
comprometessem a superfície disponível para oxidação do tubo.
5.4.4 - Preparação da Solução de Oxidação com 2000 ppm de LiOH
Abaixo, é descrito resumidamente como foi feita a preparação da solução para
dar início à oxidação do zircaloy:
- Pesou-se 1 kg de água desmineralizada em um copo de Becker de 2 litros;
- Pesou-se também 2 g de hidróxido de lítio em balança de precisão utilizando
um vidro de relógio como recipiente auxiliar;
- Aqueceu-se o copo de Becker com a água desmineralizada até 60 ºC e
adicionou-se lentamente 2 g de hidróxido de lítio (2000 ppm), com agitação
até completa homogeneização;
- Retirou-se a cada etapa uma amostra 20 ml da solução para análise de
concentração e pH;
- Desengordurou-se o “conjunto de amostras” e a autoclave em acetona;
- Posicionar o conjunto de amostras na autoclave conforme figura 5.6.
- Verteu-se a solução de oxidação previamente preparada na autoclave.
Figura 5.6 – Dispositivo de Ensaio Entrando na Autoclave na 3ª etapa
5.4.5 - Início de Etapa de Oxidação
O início da etapa de oxidação se dava com a verificação do alinhamento dos
corpos de prova pela extremidade inferior, fechamento da autoclave conforme
procedimento do laboratório, regulação da temperatura e tempo do experimento na
47
autoclave. A autoclave levava em torno de 2 horas para estabilizar na pressão média de
160 bar e 350 ºC. O esquema e as medidas do elemento combustível que serviu de
corpo de prova para o experimento pode ser visto abaixo, na figura 5.7.
Figura 5.7 – Esquema do Elemento Combustível dentro da Autoclave, Cotado em mm
90
100
335
201
300
Nível 0,0
25
Ø 16,35
134
48
Figura 5.8 – Foto do Dispositivo de Ensaio Montado antes do Início da Oxidação Forçada
5.4.6 - Fim da Etapa de Oxidação
O fim da etapa de oxidação se dá com o desligamento da autoclave e o posterior
resfriamento para abri-la. Em seguida faz-se a retirada do conjunto de amostras de
dentro da autoclave. Segue-se pela retirada de dois corpos de prova de tubo para cada
etapa, sem os tampões inferiores para confecção de amostras para ir ao microscópio.
Depois coletava-se 10 ml de amostra da solução para a medição do pH.
Por último, cortava-se 5 cm da extremidade inferior de 2 corpos de prova
retirados de posições diametralmente opostas tendo o cuidado de identificá-los na sua
parte superior com caneta vibrográfica. Por exemplo, retirou-se os tubos 2 e 8 na 1ª
etapa e depois 5 e 11, de acordo com a figura 5.9.
Figura 5.9 – Posições dos Tubos
1
2 3 4 5
6
7
891011
12
49
5.4.7 - Embutimento dos Corpos de Prova
Para a medição da camada dos tubos, era necessário preparar a amostra para
análise metalográfica, conforme fotos a seguir. Seccionava-se 5 mm na parte inferior do
tubo para embutimento. A amostra era prensada, marcada na baquelite para manter a
rastreabilidade dos corpos embutidos e polidas, conforme as normas do laboratório da
INB para esta análise. Levava-se ao microscópio com régua graduada em microns e
media-se em 3 pontos eqüidistantes a camada de óxido de cada um deles. Em seguida,
eram registradas as medidas obtidas.
Figura 5.10 – Equipamentos Utilizados no Experimento: Prensa, Polidor e Microscópio com Régua
Graduada
Foram realizadas 11 etapas de ganho de peso e 10 de medição de camada de
óxido, e em cada etapa foram registradas as datas e horas de início e fim de cada etapa,
as horas acumuladas, os corpos de prova retirados (citados eventualmente nas tabelas
como CP) e o diâmetro médio de cada tubo medido no microscópio. A contagem das
horas foi feita segundo o diagrama do sistema de controle da autoclave mostrado na
figura 5.11. A tabela abaixo resume todos os dados do experimento.
Tabela 5.1 - Controle do Experimento de Oxidação
50
Figura 5.11 – Visualização do Programa da Autoclave de Controle dos Experimentos
5.5 – Resultados
A oxidação foi realizada durante dois meses, totalizando 888 horas (37 dias
úteis) e com carga horária variável, por motivos de disponibilidade de pessoas e tempo
para a execução do experimento. Entretanto, os resultados das medições de camadas de
óxido foram relacionados às horas trabalhadas, independente da duração de cada etapa.
A concentração da solução de 2000 ppm de LiOH foi feita pelo controle do pH a cada
retirada do conjunto para análise. Caso o pH estivesse fora da faixa recomendada por
Comstock et al. [27], que é de 12 a 13, os técnicos químicos do laboratório faziam uma
nova solução. Veja na tabela 5.2 os valores controlados do pH para cada etapa.
Foi feito em MS Excel um gráfico da evolução da espessura da camada de óxido
em função do tempo. Não foi encontrado na literatura esta correlação, entretanto, é
comum ver gráficos do ganho de peso em função do tempo. Verificou-se nesta
experiência, que a medição exata da camada de óxido é uma tarefa difícil, pois apesar
da corrosão ser classificada como uniforme ao longo da superfície, na prática, há uma
variação desta medida entre os corpos medidos com o mesmo número de horas
acumuladas e mais ainda, numa mesma amostra. Para completar a experiência e
Pressão
Temperatura
51
comparar com a literatura internacional, aproveitou-se para controlar o ganho de peso
total e o ganho de peso por etapa. Os resultados podem ser vistos na tabela 5.3.
Tabela 5.2 - Controle do pH da Solução de LiOH a 2000 ppm
Foram postos quatro pedaços de tubo para verificar-se o ganho de peso com as
seguintes características:
• ODn – diâmetro externo em quatro pontos do tubo (mm);
• ID – diâmetro interno em mm;
• L – comprimento do tubo em mm;
• Densidade – é a densidade superficial em mg/dm2;
• m – massa em mg.
Tabela 5.3 – Dados das Quatro Amostras Feitas como Corpos de Prova para Ganho de Peso
52
A fórmula da área inclui a superfície interna, externa e a borda da seção de corte.
O diâmetro externo médio foi calculado para a determinação da área, devido a
excentricidade externa que este tubo pode apresentar. Fazendo uma simplificação
matemática, o somatório das áreas ficou:
( )
−++=Σ 2
)(..22 IDODLIDODÁreas π
Dividindo a massa em mg pela área em dm2, chegou-se na unidade de densidade
superficial citada em diversos artigos para ganho de peso: mg/dm2.
Comstock et al. [27] fez esse mesmo teste a longo prazo e constatou que a
espessura de óxido formada é uma correlação direta com o peso ganho usando a
proporção de 1 µm equivalente a 15 mg/dm2. Verificando os dados obtidos neste
experimento, concluímos que o erro foi de apenas 0,95% em relação aos dados de
Comstock et al. [27], quando usamos a amostra que obteve a maior espessura. Os
resultados gerais do ganho de peso são visualizados na tabela seguinte.
Tabela 5.4 – Análise Final do Peso Ganho nas Quatro Amostras
A densidade inicial e final foi comparada e calculou-se o peso ganho total.
Dividindo este valor pelo número de dias (888 horas / 24 horas = 37 dias), chegou-se à
média de aproximadamente 39,66 mg/dm2 por dia. A camada estimada em microns é a
razão entre o peso ganho e o valor de 15 mg/dm2. O erro relativo de 0,95 % foi
calculado considerando a maior espessura medida em relação à média da camada
estimada, de acordo com a proporção proposta por Comstock et al. [27].
( ) %95,010083,97
9,9683,97% =⇒
−= ErroxErro
53
Cabe ressaltar que o objetivo deste experimento laboratorial é criar corpos
oxidados que servem como padrões de camadas de óxido conhecidas, para serem
utilizados na construção da bobina de medição de camada de óxido, utilizando a técnica
das correntes parasitas.
A figura abaixo mostra como foi a evolução do gráfico da oxidação no trabalho
de Comstock et al.[27]. Ele fez um teste de longa duração (em torno de 800 dias), e a
união dos pontos do peso ganho versus o tempo cresceu de uma forma linear até os
primeiros 40 dias, e depois seguiu com um formato de uma curva exponencial,
mostrando a aproximação da saturação do crescimento do óxido com o tempo.
Figura 5.12 – Gráfico da Oxidação de Comstock et al.[27]
A evolução do crescimento do óxido com o tempo do experimento (37 dias)
desta dissertação pode ser visto na figura 5.13. Foi feita no MS Excel e solicitou-se que
fosse mostrada a equação que representa a regressão linear para a média das camadas
medidas em cada etapa, representada pelas horas acumuladas no eixo X. O R-quadrado
da regressão mede a proporção da variabilidade em Y que é explicada por X. Um valor
de R-quadrado muito próximo de 1 indica uma forte relação entre as duas variáveis,
apesar da relação poder ser positiva ou negativa. O R-quadrado de 0,9952 mostra a forte
tendência da correlação de oxidação ser linear, sugerida pelo autor da dissertação, de
acordo com a experiência de Comstock et al. [27] para os primeiros 40 dias.
Os dados completos e todas as camadas medidas podem ser visualizadas na
tabela 5.5. As colunas têm os seguintes significados: “Etapa” é a denominação para
cada um dos passos do experimento, “Horas” é o tempo acumulado das etapas,
“Tempo” é a célula de horas mesclada numa única célula, “Camada” é a coluna que
apresenta a espessura medida em 3 pontos eqüidistantes para cada “Tubo” representado
na coluna seguinte. O valor “Média 1” é a média aritmétrica das camadas de óxido
medidas em três pontos (coluna “Camada”) de cada tubo. A última coluna denominada
“Med.geral” é a média simples dos dois tubos retirados e analisados em cada etapa. Na
etapa 0 não foram retiradas amostras para a medição do óxido, por isso a linha da etapa
Peso ganho
Tempo de exposição40 dias
54
0 está marcada com “X”. O erro na medição das camadas no microscópio com régua
graduada foi a metade da menor medida, ou seja, 0,5 microns.
Tabela 5.5 – Camadas de Óxido Medidas na Experiência do Laboratório
55
Evolução do crescimento do óxido com o tempo
y = 0,1036x + 0,5132
R2 = 0,9952
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tempo (horas)
Ca
ma
da
(m
icro
ns
)
Camada medida Média das camadas medidas por tempo Linear (Média das camadas medidas por tempo)
Figura 5.13 – Evolução do Crescimento do Óxido com o Tempo
Uma visualização dos resultados deste experimento é comparar a evolução das
camadas oxidadas em fotos tiradas no microscópio. Para a amostra de tubo nº 10, pode-
se ver três aumentos diferentes, conforme as figuras 5.14 e 5.15.
Figura 5.14 – Comparação do Tubo 6, com Aumento de 825 x, 110 Horas de Ensaio e o Tubo 10, com
Aumento de 82,5 x e 888 Horas de Ensaio.
56
Figura 5.15 – Detalhe da Fissura no Tubo 10, com Aumento de 425 e 825 vezes, Respectivamente, com
888 Horas de Oxidação Forçada
A parte branca das fotos é o tubo de Zircaloy-4 e a escura é a baquelite. É
importante ressaltar que as fissuras na face externa dos tubos mostram como as paredes
da superfície podem perder material. Por isso, é importante desenvolver a ferramenta de
medição da camada oxidada, para acompanhar-se na prática, a evolução da corrosão e a
integridade dos tubos em serviço. O código PAD descrito anteriormente é excelente,
mas pode ser complementado com a técnica de correntes parasitas descrita nesta
dissertação e os dados juntos, podem contribuir para a melhoria das condições
operacionais e materiais do reator e de seu combustível. Estes dados podem alimentar
um banco de dados brasileiro com a experiência adquirida nas usinas de Angra I e II e
assim, melhorar os códigos, que são atualmente baseados na experiência da operação de
usinas PWR norte americanas.
57
Capítulo 6: Desenvolvimento da Bobina de Medição da Oxidação deTubos de Revestimento
6.1 - Escopo do Trabalho
O desenvolvimento completo da bobina para uso submerso nas condições em
que o elemento combustível se encontra (imerso na piscina de combustíveis usados das
usinas nucleares) requer alterações de projeto para torná-la a prova de água. O meio em
que ela foi projetada e testada (ar) possui propriedades físicas (permeabilidade
magnética, condutividade) diferentes daquelas encontradas na água, mas como antes de
qualquer inspeção, há o balanceamento da impedância da bobina com a impedância do
equipamento de inspeção. Isso permite a aplicação da bobina projetada para a condição
seca em bancada ou para o uso imerso nas condições reais.
O material que envolve a bobina pode ser de teflon ou PVC, mas materiais
vedantes devem mantê-la seca para uso imerso. O desenvolvimento final compreende o
movimento automático da bobina por braços acionados por mecanismos pneumáticos,
nas direções X, Y e Z. Este desenvolvimento é muito complexo, pois envolve conceitos
e projetos de engenharia de automação, estando fora do escopo deste trabalho.
Durante a pesquisa deste trabalho, descobriu-se que os EUA, a Coréia do Sul e a
França possuem este sistema de medição de camada de óxido, porém é uma tecnologia
fechada, na qual o Brasil deva comprar e pagar royalties pelo uso dela. Por isso, este
trabalho se propõe desenvolver a parte relativa à bobina, pois envolve os conceitos de
engenharia de combustível nuclear e da técnica de ensaios de correntes parasitas para
medição de camadas não condutoras.
O procedimento, conforme esclarece a Westinghouse [28], fornece instruções
para medir com precisão a espessura de óxido de varetas combustíveis periféricas e
isoladas, de elementos combustíveis. A operação ferramental não depende do tipo de
elemento combustível e não será descrita em detalhes. Os tamanhos das várias peças dos
mecanismos de movimentação das ferramentas, contudo, dependem do tipo de elemento
combustível, portanto é imperativo que o tamanho da ferramenta combine com o tipo do
elemento (Angra I ou Angra II).
58
6.2 – Projeto do Equipamento Nacional
6.2.1 – Teoria Fundamental
A utilização deste método de ensaio para medir espessuras de camadas de
material não condutor (óxidos e tintas, por exemplo) depositado sobre um material
condutor, está relacionada à variação da intensidade do campo magnético de uma
bobina, energizada por uma corrente elétrica variável, quando esta é aproximada ou
afastada do material condutor. Este efeito é conhecido como lift-off.
Os critérios de projeto foram feitos de acordo com o modelo da ferramenta
americana, citada no item 6.3. Quando a superfície da amostra em que se deseja medir a
espessura é plana, a superfície de apoio da sonda, também conhecida como sonda
superficial, deve ser plana. Ver figura 6.1, em que uma chapa ou placa de uma
determinada liga de Alumínio está revestida com uma camada de material não condutor,
como por exemplo tinta, de espessura variável.
Figura 6.1 – Utilização de uma Sonda Superficial Plana para Medir Espessura de Camada de
Revestimento Não Condutor, Depositada sobre a Superfície de uma Chapa ou Placa de Determinada Liga
de Alumínio.
Quando a superfície da amostra é curva, como a de um tubo, por exemplo, a
sonda superficial deve ter seu lado de apoio com uma geometria que se adapte à
curvatura do tubo ou uma geometria quase pontual, semelhante à ponta de um lápis ou
caneta. Neste caso, a sonda é conhecida como sonda superficial tipo “caneta”. Na
medição de espessuras de camadas de óxido, depositadas sobre tubos ou varetas de
elementos combustível de reatores nucleares, por questões de praticidade dessas
medições, opta-se pela utilização de sondas superficiais do tipo “caneta”. Neste trabalho
utilizou-se um equipamento de correntes parasitas que opera com o sistema de ponte de
impedâncias e dentro deste sistema, é necessário, para o bom funcionamento do
59
equipamento que se tem, pelo menos, duas bobinas, interligadas entre si em arranjo
diferencial, como é mostrado na figura 6.2.
Figura 6.2 – Desenho Mostrando a Utilização de Sondas Superficiais do Tipo “Caneta”, Interligadas entre
si no Modo Diferencial, para Medir Espessura de Camada de Óxido.
6.2.2 - Sondas Superficiais Utilizadas na Medição
Para este trabalho de medição de espessura de camadas de óxido, realizado em
bancada, foram desenvolvidas duas sondas superficiais do tipo “caneta”, iguais em suas
dimensões e impedâncias. No centro de cada bobina existe um núcleo de material
ferromagnético, uma haste cilíndrica, com diâmetro de 2,5 mm, obtida de um arame de
solda. O núcleo ferromagnético, inserido no eixo da bobina, concentra todo o campo
magnético gerado no interior da bobina ao longo dele e amplifica, consideravelmente a
intensidade desse campo, possibilitando a bobina ser montada num carretel de pequenas
dimensões, com poucas espiras. A indutância medida em cada sonda é de 15,9 µH, o
que leva a uma freqüência fundamental de 500 kHz. Quando acoplada ao equipamento
modelo MAD 8D, é possível operar na faixa de freqüência de 150 kHz a 1100 kHz.
Nas fotografias das figuras 6.3, 6.4 e 6.5, aparecem sempre duas sondas. Pode-se
observar no interior de uma delas, a de referência, a inserção de um pequeno tubo
metálico, feito de Zircaloy-4, sem qualquer oxidação e com diâmetro externo e
espessura igual aos das amostras que contêm camadas de óxido. A inserção desse
pequeno tubo no interior da sonda é feita de modo que o núcleo da bobina toca
60
permanentemente sua superfície externa. A outra sonda, a de ensaio, foi montada sobre
uma base especialmente projetada para receber as amostras de tubos de Zircaloy que
contêm camadas de óxido, com diferentes espessuras. A amostra, quando é colocada
sobre esta base, fica numa posição semelhante à do pequeno tubo, na sonda de
referência. Pode-se constatar nas fotografias das figuras 6.4 e 6.5 e no desenho da figura
6.6 a disposição dos tubos de referência e de ensaio.
Figura 6.3 – Fotografia das Duas Sondas Tipo “Caneta”, em Arranjo Diferencial.
Figura 6.4 – Fotografia Similar à Anterior. A Sonda de Ensaio está Agora com um Dispositivo que
Prende a Amostra junto à Haste da Sonda Tipo Caneta.
Sonda de ensaio
Sonda dereferência
61
Figura 6.5 – Fotografia do Mesmo Dispositivo Sensor, onde se vê uma Amostra Oxidada, Posicionada na
Sonda de Ensaio.
Figura 6.6 – Desenho Esquemático da Vista Frontal do Dispositivo
As duas sondas são interligadas entre si em arranjo diferencial, através de um
conector de quatro pinos, que é acoplado ao equipamento de ensaio. No circuito
eletrônico do aparelho de ensaio, as sondas são conectadas a uma ponte de impedância,
semelhante a uma ponte de Wheatstone, sendo, cada uma delas, um braço dessa ponte.
Ver desenho da figura 6.7. Uma vez acopladas à ponte, esta pode ser equilibrada
eletricamente (balanceamento) através de ajustes nas impedâncias Z3 e Z4, pois estas
são resistores variáveis. Antes de promover os ajustes de Z3 e Z4, para se obter o
balanceamento da ponte de impedâncias, posiciona-se na sonda de ensaio uma amostra
(tubo de Zircaloy), sem qualquer camada de óxido. Depois de promover o
balanceamento da ponte, a tensão elétrica residual que aparece nos terminais A e B é
zero ou próxima de zero. Isto significa para o sistema aparelho de ensaio / sondas, que o
meio que envolve a sonda 1 (de referência) é igual ao meio que envolve a sonda 2 (de
Fios
62
ensaio). Assim, se a amostra de tubo de Zircaloy, sem camada de óxido, é substituída
por uma outra contendo camada de óxido de determinada espessura, a ponte é
desbalanceada e a tensão elétrica existente nos terminais A e B deixa de ser nula,
assumindo um determinado valor que dependerá da espessura da camada de óxido da
amostra colocada na sonda de ensaio. Pode-se, então associar as alterações de tensão
elétrica existente na ponte de impedância com as espessuras das camadas de óxido
existentes nas diferentes amostras deste trabalho.
Figura 6.7 – Ponte de Impedâncias Existente na Maioria dos Equipamentos de Correntes Parasitas Atuais.
Z1 e Z2 são as Impedâncias Correspondentes às Bobinas das Sondas de Ensaio e de Referência.
6.2.3 - Descrição Sucinta do Equipamento Utilizado no Trabalho
O equipamento utilizado neste trabalho é microprocessado, de até 4 (quatro)
canais de freqüência, cada um deles com a freqüência variando de 55 Hz até 4 MHz,
controle de ganho, controle de fase, sensibilidade e filtro de freqüência para supressão
de ruídos de baixas freqüências. Permite fazer análise, baseada em medidas de
amplitude e fase dos sinais de indicações detectadas e gravações / reproduções dos
parâmetros de ensaio e de todos os sinais de indicações. O fabricante é a Eddy Current
Technology Inc. (ECT) e o modelo é o MAD 8D.
O MAD 8D, correspondente a foto da figura 6.8, opera com o sistema de ponte
de impedâncias, onde dois de seus braços são as bobinas de uma ou mais sondas.
63
Figura 6.8– Fotografia de um Equipamento da ECT, Modelo MAD 8D.
As sondas utilizadas neste trabalho foram desenvolvidas pela Technotest. A
descrição sucinta da operação e calibração do sistema de ensaio esta no anexo A.
6.2.4 - Resultados Obtidos
Foram medidas um total de 8 amostras de tubos de Zircaloy-4, contendo
camadas de óxido incrustadas as superfícies externas das mesmas, com diferentes
espessuras.
Existe uma variação de espessura para cada uma das amostras apresentadas na
tabela 6.1, dependente da posição ao longo da superfície das amostras em que a medida
é feita. Obviamente, esta variação, que não está registrada neste trabalho, produzirá uma
variação correspondente nas medidas obtidas por correntes parasitas.
Já foi comentado que mesmo classificando a corrosão como uniforme, a bobina
tem uma sensibilidade elevada a qualquer alteração superficial das amostras e, portanto,
isso deve ser levado em consideração no projeto da ferramenta.
A figura 6.9 que se segue, é a tela do software de análise da técnica de Correntes
Parasitas obtida no ensaio por Correntes Parasitas da medida de espessura das camadas
de óxido da 1ª entre as oito feitas a partir das amostras, de acordo com as condições de
calibração estabelecidas. As telas obtidas para as outras 7 amostras estão no anexo B.
64
Figura 6.9 - Tela de Sinal Proveniente da Amostra 8, com a Espessura de Camada de Óxido de 10,2 µm.
As telas que são apresentadas nas figuras do anexo B, foram feitas com as
amostras posicionadas na sonda de ensaio, e com o mesmo tubo de referência. Em cada
posicionamento das amostras, o sistema aparelho de ensaio / sondas, foi devidamente
balanceado, tendo-se, na sonda de ensaio um tubo novo de Zircaloy-4, sem qualquer
camada de óxido. De acordo com os ajustes dos parâmetros de ensaio feitos na
calibração, foi obtida uma tela de sinal correspondente ao desbalanceamento da ponte
de impedância que a amostra provocou. As medidas obtidas são uma grandeza vetorial.
A origem do vetor é o tubo sem camada oxidada e o fim dele seria o efeito lift-off
máximo, dado pela espessura da camada oxidada.
Tabela 6.1 – Grandezas Associadas a Espessuras de Óxido Medidas
N°°°° damedida
AmostraN°°°°
Nº de horas deoxidação
Espessura dacamada de óxido
Amplitude(Volts)
Ângulo defase
1 8 110 10,2 µm 1,53 18°2 11 170 17,8 µm 1,96 18°3 6 266 30,6 µm 2,09 26°4 10 362 40,8 µm 3,03 40°5 3 434 47,6 µm 3,62 33°6 1 530 54,4 µm 3,82 35°7 2 626 66,3 µm 4,85 34°8 5 722 71,4 µm 5,13 45°
Efeito lift-off máximo
Tubo sem oxidação
Ângulo de fase e amplitude
65
Na tabela 6.1 acima são apresentadas as medidas dessas grandezas, em termos de
amplitude e ângulo de fase, associadas a cada espessura de camada de óxido, além do
número de horas de oxidação e da espessura da camada oxidada medida.
Ao juntar todos os pontos onde o efeito lift-off foi máximo nas figuras do anexo
B, obtemos a curva de lift-off, explicada no item 3.8.2. Veja na figura seguinte:
Figura 6.10 – Curva do Lift-Off das Amostras Feitas em Laboratório
As medidas das camadas no microscópio foram feitas somente uma vez, e o erro
possível na mensuração é relacionado à metade da menor divisão da escala: 0,5
microns. A amplitude e o ângulo de fase mostrados na tela do software de análise
também foi medida somente uma vez, e o erro que pode ocorrer, é no posicionamento
correto dos cursores (“”) e (“+”). Veja o gráfico resultante na figura abaixo.
Camada oxidada X Amplitude do sinal
1,531,96 2,09
3,03
3,623,82
4,855,13y = 0,0602x + 0,7022
R2 = 0,9704
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80
Espessura (microns)
Am
plitu
de
(v
olt
s)
Figura 6.11 – Relação da Camada Oxidada Medida e a Amplitude do Sinal no MAD8D
5
2
13
106
118
Amostra sem oxidação
Curva do lift-off do Zircaloy-4
Resistência da bobina
Rea
tânc
ia in
dutiv
a da
bob
ina
66
Esta relação linear (y = 0,0602x + 0,7022), que num tubo novo, não possui
qualquer camada oxidada e que pode ser extrapolada até 100 microns (limite de projeto
de acordo com o PAD [20]), permite que todas as camadas reais de varetas oxidadas
sejam medidas nesta nova faixa [0..100 microns], dando os seguintes sinais:
Espessura (microns) Amplitude (volts)0 0,7022
100 6,7222
O novo gráfico considerando estes dois valores de espessura limites fica de
acordo com a figura 6.12. É importante ressaltar que a cada medição da camada de
óxido, os valores podem ser diferentes, alterando a amplitude e o ângulo de fase, e
conseqüentemente, alterando os pontos do gráfico. Porém, a mudança não é tão
significativa a ponto de descaracterizar a reta. Esse comentário mostra que a
repetibilidade da equação da reta é baixa, pois ela pode ser alterada facilmente,
alterando-se os parâmetros descritos acima.
Camada oxidada X Amplitude do sinal
0,70
6,72
1,53
1,96
4,855,13
3,823,623,03
2,09
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Espessura (microns)
Am
plitu
de
(v
olt
s)
Figura 6.12 – Visualização da Amplitude do Sinal com os Valores de Espessura Limites
A reta da figura acima atinge o objetivo estabelecido, conforme sugestão do
autor que era criar uma correlação entre a espessura da camada de óxido e a amplitude
67
do sinal da impedância da bobina superficial, utilizando a técnica das Correntes
Parasitas.
6.3 - Funcionalidade do Sistema de Medição Americano
De acordo com a funcionalidade que necessitamos para uma correta medição da
camada de óxido de varetas, descreve-se a seguir as definições, a descrição e uma lista
de equipamentos mínima para assegurar a operação de um equipamento que venha a ser
desenvolvido no Brasil, baseado no modelo americano [28]. É tratado pela INB como o
“estado da arte” na medição de óxidos. Sabemos que o investimento no
desenvolvimento do mecanismo de acionamento e estruturas é muito elevado, mas há o
domínio do conhecimento de automação e controle por parte dos engenheiros brasileiros
para construí-lo no país.
6.3.1 – Definições
Sistema de medição de espessura do óxido em vareta combustível - Um sistema de
exame que mede com precisão e registra a espessura do óxido de uma vareta
combustível em qualquer localização vertical na vareta combustível ou na grade de
um elemento combustível.
FRHT (Fuel Rod Handling Tool) - ferramenta de manuseio de vareta combustível.
Ferramenta XYZ - Um sistema de posicionamento mecânico preciso da sonda de
medição do óxido sobre a vareta combustível, que se move nos eixos X, Y e Z.
Acessório SRO (Single Rod Oxidized) - Acessório individual para guiar a vareta
combustível a ser medida, que inclui uma câmera.
6.3.2 - Descrição Geral
O sistema de medição da espessura do óxido em vareta combustível consiste de
sete componentes básicos: ferramenta XYZ (e seu controlador de movimento),
ferramenta de manuseio de vareta combustível FRHT (e seu controlador de
movimento), grampo da grade, acessório SRO, câmera SRO, placas de aquisição de
dados para o computador modelo MIZ-23. O sistema fica submerso a aproximadamente
a uns 10 metros na piscina de combustíveis nucleares, pois a água contém boro e serve
68
como uma blindagem para as elevadas emissões radioativas que o EC emite após o uso.
O espaçamento entre os diâmetros externos das varetas é de 3 mm e este valor é a
largura máxima do dispositivo (braço móvel) que contém a bobina de medição que entra
no EC e torna-se possível medir o óxido de uma vareta localizada no interior do mesmo.
Figura 6.13 – Mecanismo de Medição dos EUA
O objetivo do sistema de medição de espessura de óxido em vareta combustível
é posicionar uma sonda de correntes parasitas (sonda tipo lápis) de encontro a uma
vareta combustível irradiada (ou grade) de um elemento combustível e medir a
espessura de filme de corrosão ZrO2 (óxido). É requerido um alto grau de precisão no
posicionamento mecânico da sonda sobre a vareta combustível (ou grade), enquanto
estão sendo tomadas as medidas, para minimizar os erros de medição resultantes do
acoplamento de variações entre a sonda e a vareta combustível (ou grade). O sistema de
controle de movimento XYZ e o FRHT fornecem esse sistema de posicionamento
mecânico. Uma das maiores dificuldades do sistema é operá-lo e visualizar os
movimentos dos dispositivos na profundidade em que ele é instalado (10 metros).
A ferramenta XYZ é colocada sobre o topo das prateleiras de combustível usado,
na piscina de combustível usado (PCU). Para medição da camada de óxido na vareta
combustível, o elemento combustível tem que ser inserido numa célula da prateleira de
armazenagem adjacente à placa de base XYZ para inspeção. O elemento combustível é
retido na posição usando-se um dispositivo de grampo de grade. Esse dispositivo é
69
posicionado numa célula da prateleira de armazenagem aberta adjacente à célula de
inspeção. Um cilindro pneumático então aplica força na grade do elemento combustível
para estabilizar o conjunto. Para medição de óxido em vareta combustível isolada, o
acessório SRO é inserido numa célula de prateleira de armazenagem adjacente à placa
de base XYZ para inspeção. A ferramenta XYZ consiste de um conjunto de
movimentação capaz de posicionar a sonda de óxido nas direções "X", "Y" e "Z". O
movimento do eixo X é definido como movimento lateral (esquerda/direita) através da
face do elemento combustível. O movimento do eixo Y é definido como um movimento
entra-e-sai da sonda de óxido em relação ao elemento combustível. O eixo Z fornece a
capacidade de movimento vertical ao longo da vareta combustível.
O movimento XYZ do conjunto de deslocamento é executado por parafuso de
rosca sem fim e arranjo de porcas comandado por um sistema servomotor sem escovas
em malha fechada, com informação de posicionamento. A capacidade de deslocamento
total do eixo X, Y e Z é 17, 9 e 24 polegadas, respectivamente. Uma câmera de TV,
montada no acionador vertical, é controlada remotamente para permitir capacidade
panorâmica e horizontal/vertical.
Para medição de espessura de óxido em vareta isolada ou periférica, a bobina é
guiada sobre a vareta combustível por dois cilindros tipo V. A bobina é montada num
dispositivo com quatro graus de liberdade (condutor da bobina). O dispositivo fornece
+0,75 pol de complacência lateral e + 10º de complacência de rotação em ambos os
planos X e Y. Esse condutor é montado na mesa do eixo Z, para compensar a vareta
combustível de arquear e entortar.
O sinal eletrônico da sonda de óxido é processado pelo Zetec MIZ-23 (nome do
modelo). Um sinal de saída analógico (do MIZ-23), correspondente à espessura do
óxido então é conectado a um computador para obtenção dos dados.
O sistema de medição de espessura do óxido fornece os meios para deslocar uma
única vareta combustível através do acessório SRO. Essa ferramenta é montada sobre
um acessório de alinhamento, que garante que a vareta entre no acessório
aproximadamente sempre do mesmo jeito. A posição da vareta combustível ao longo da
sonda de óxido também é dada pelo FRHT.
O sistema de câmera SRO fornece monitoramento visual do movimento do
elemento combustível. Ele também é usado para monitorar a inserção da vareta
combustível e o movimento no acessório SRO.
70
O sistema de obtenção de dados do computador fornece acumulação de dados de
calibração e de espessura de óxido. Os dados de espessura de óxido estão armazenados
num arquivo no disco rígido do computador.
A operação do sistema requer o uso de ar comprimido (também pode ser usado
cilindro de nitrogênio). O ar comprimido é necessário para manter a pressão sobre os
motores subaquáticos lacrados e para operar o acessório do grampo da grade.
6.3.3 - Lista de Equipamentos
A lista de equipamentos citada abaixo é a recomendada e utilizada pelos
americanos. Não quer dizer que o Brasil precisa adquirir todos os equipamentos, mas é
uma sugestão para a equipe que vier a ser formada no país. A lista é composta de:
Ferramenta XYZ e console de controle.
Equipamento Zetec MIZ-23 e sonda de óxido. Devem possuir o certificado de
calibração atual.
Referência de calibração de óxido. Dependendo do tipo de elemento
combustível e medida tomada, usar a referência apropriada de óxido.
FRHT (ferramenta de manuseio de vareta combustível) e controlador de
movimentação. Somente para óxido de vareta individual.
Sistema de obtenção de dados de computador com a última versão do software.
Controlador XYZ com a última versão de software.
Conjunto de grampos da grade e painel pneumático.
Console de vídeo de inspeção de combustível, sistema de câmera de TV
incluindo luzes e controlador panorâmico e horizontal/vertical.
Acessório SRO. Apenas para medição de óxido de vareta individual.
Um guincho de no mínimo 500 lbs para instalação do equipamento sobre as
prateleiras do combustível gasto.
Fitas virgens de vídeo ou DVD, conforme exigido.
71
Capítulo 7: Conclusão e Sugestões para Trabalhos Futuros
Conforme previa-se na proposta da dissertação, a bobina projetada para a
medição da camada oxidada em elementos combustíveis nucleares, através do efeito lift-
off, foi construída, testada e aplicada em amostras feitas artificialmente conforme era
proposto.
As amostras tiveram que ser produzidas em laboratório, pois no Brasil não se
dispõe de instalações de manuseio de elementos combustíveis irradiados, conhecidas
como hot cell. Criou-se um procedimento experimental, simulando as condições
termodinâmicas do reator nuclear em operação, usando LiOH como catalisador, e foram
feitas 10 etapas de oxidação em pequenos tubos de Zircaloy-4. Após cada etapa, duas
amostras tiveram suas camadas oxidadas medidas num microscópio com régua
graduada em microns e posteriormente, cada amostra teve sua camada relacionada a um
sinal de impedância em Volts, medida pela bobina ligada a um sistema informatizado de
correntes parasitas. Criou-se uma tabela, relacionando o número de horas de oxidação
de cada amostra, a média das camadas de óxido medidas e o sinal em Volts. Em
seguida, foram traçados pontos num sistema cartesiano, relacionando a camada medida
com o sinal em Volts. Os pontos foram unidos por uma reta, por sugestão do autor e o
R-quadrado calculado pelo programa MS Excel foi 0,9705, mostrando uma forte
tendência da relação ser linear, conforme a equação mostrada. Essa reta definiu uma
correlação para medir as camadas oxidadas permissíveis na faixa de operação normal
dos elementos combustíveis.
Em paralelo ao experimento de oxidação forçada para a criação de camadas
oxidadas, foram colocados quatro corpos de prova para ganharem peso e comparou-se
os resultados com a literatura numa correlação de um autor, e o erro obtido nas camadas
medidas foi de aproximadamente 1 %, mostrando que o controle dos parâmetros do
experimento foi satisfatório.
Um problema comum quando a superfície da amostra é curva, como a de um
tubo, é que a sonda superficial deve ter seu lado de apoio com uma geometria que se
adapte à curvatura do tubo ou uma geometria quase pontual, semelhante à ponta de um
lápis. O dispositivo feito nesta dissertação atendeu a este requisito.
Existe uma variação durante a medição das camadas oxidadas, mesmo
classificando a corrosão como uniforme, dependente da posição ao longo da superfície
das amostras, pois a bobina tem uma sensibilidade elevada a qualquer alteração
72
superficial das amostras. Por isso, para minimizar este erro, foram realizadas três
medições em pontos eqüidistantes de cada tubo e calculada a média aritmética para
definir a camada medida em cada amostra. Esta variação não está registrada neste
trabalho, mas foi levado em consideração no projeto da ferramenta. Por este motivo e
também pelos possíveis erros que podem ocorrer na operação do software de análise, as
retas que correlacionam a medida da camada com a amplitude do sinal da impedância
podem variar durante sua construção.
Esta dissertação possibilitou revisar o estado da arte em diversos assuntos,
devido aos conhecimentos diversos que são apresentados, como por exemplo,
conhecimentos de reatores nucleares e seus combustíveis, teoria e aplicações industriais
de correntes parasitas e mecanismos de oxidação e corrosão em ligas especiais.
É um trabalho de pesquisa teórica e experimental, com a confecção de protótipo
e amostras em laboratório que visa criar um aplicativo industrial de baixo custo e
elevado retorno para a garantia da integridade de um componente de uma central
energética do tipo nuclear. O mecanismo de acionamento automático não foi feito, pois
engloba outros conceitos, que fogem do escopo deste trabalho. A nacionalização da
bobina nesta dissertação contribui o projeto em geral, possibilitando o uso desta
aplicação prática industrial, não somente como mais um trabalho acadêmico. Isso
ocorrerá se houver um acordo comercial e tecnológico da empresa que fornece o
elemento combustível, a INB e a que gera energia a partir dele, a Eletronuclear. A
aplicação prática desta dissertação mostra a importância do trabalho para o
conhecimento tecnológico e a soberania da indústria nuclear do Brasil. O projeto da
bobina teve o apoio da empresa Technotest, nacional e detentora da tecnologia e dos
equipamentos de correntes parasitas usados na dissertação.
Com o projeto, desenvolvimento e construção da bobina de medição do óxido no
Brasil, fica como sugestão para trabalhos futuros, o desenvolvimento da automação do
mecanismo de movimentação automático da bobina. Assim, as empresas do ciclo de
geração de energia pelo meio nuclear, tornam-se independentes, soberanas e detentoras
da tecnologia de controle dos níveis de oxidação dos elementos combustíveis nucleares
usados, possibilitando evoluir e contribuir às análises feitas somente por programas
computacionais.
73
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controle de qualidade de fabricação de combustíveis nucleares”, XXIV Congresso
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barras combustibles”, 27ª Reunión Anual de la Sociedad Nuclear Espanola, Valência,
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74
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[28] – Procedimento de Medição de Óxido, Westinghouse Electric Company,
Columbia, Carolina do Sul, EUA, 2006.
75
Anexo A: Descrição da Operação e Calibração do Sistema de Ensaio
a. Abre-se o MAD 8D e acoplam-se ao aparelho as sondas, o teclado, a chave
eletrônica (conector de impressora) e o cabo de energia. Energiza-se o aparelho e
aguarda-se sua inicialização.
Observações: na bobina de ensaio, deve estar posicionada uma amostra sem
camada de óxido.
b. Acessa-se o “prompt do DOS” e cria-se nele um diretório com, no máximo, oito
dígitos.
c. Digita-se “MAD 4D win” ou reinicia-se o computador e aguarda-se até aparecer
uma tela azul, contendo as opções das chaves eletrônicas que serão utilizadas. Tecla-
se a letra que representa a chave eletrônica inserida no equipamento. Tecla-se
“Enter” e aguarda-se a apresentação da página inicial do MAD 8D.
d. Tecla-se qualquer tecla para sair da página inicial do MAD 8D e ir para o “menu”
principal. No “menu” principal, tecla-se “U” para acessar o “Set Up”. Neste “Set
Up”, teclar “D” (“Data Directory”) para habilitar este sub-menu; digitar o nome do
arquivo no “promprot do DOS”. Ainda neste “Set UP”, teclar “F” (“File Directory”)
para habilitar este outro sub-menu; digitar o nome do arquivo criado no “prompt do
DOS”. Tecla-se “Q” para voltar ao “menu” principal.
e. Tecla-se “M” para acessar o sub-menu modo de apresentação dos sinais. Neste sub-
menu, através das teclas de setas, acessar o modo de apresentação 1 XY.
f. Tecla-se “F8” para limpar a memória “RAM” e, em seguida, tecla-se “F3” para
iniciar a gravação de sinais. Teclar “B” para promover o balanceamento da ponte de
impedâncias e observar em que ponto da tela está o vetor ponto. Teclar “F1” para
interromper a operação de gravação. Em princípio, sua localização é o centro da
tela.
Observações: para se ter um maior espaço para o deslocamento do vetor ponto
na tela do plano 1 XY, a localização do vetor ponto pode ser mudada para
qualquer ponto da tela. Para isto, basta teclar simultaneamente “Shift <” ou
“Shift >” e deslocar o vetor ponto para qualquer posição na tela que se queira,
através das teclas de setas.
g. Desloca-se o vetor ponto para uma posição na tela que esteja abaixo e à direita do
ponto médio da tela. Isto permitirá um maior espaço para se visualizar as trajetórias
76
de deslocamentos do vetor ponto no plano XY, sem reduzir muito o ganho. A
maneira de se fazer isto está descrita nas observações acima.
h. Tecla-se “F3” para reiniciar o modo de gravação do MAD 8D, tecla-se “E” para
limpar a tela, tecla-se “B” para promover um novo balanceamento da ponte de
impedâncias e, finalmente, tecla-se “F’” para interromper a gravação. A posição em
que o vetor ponto estiver na tela do plano XY é o novo ponto zero da ponte; ele
representa no ensaio, um ponto de referência em que a tensão elétrica é zero e,
corresponde a uma amostra sem qualquer camada de óxido.
i. Retira-se da sonda de ensaio a amostra sem camada de óxido, substituindo-a por
uma outra que tenha camada de óxido. Para se ter uma seqüência lógica, a amostra
substituta deve ter a camada de óxido com a menor espessura das amostras obtidas.
j. Tecla-se “E” para limpar a tela, se necessário, tecla-se “F1” para voltar à operação
de gravação e, logo em seguida, teclar “F1” novamente, para interromper a operação
de gravação. Observar a nova posição ocupada pelo vetor ponto no plano XY.
k. Tecla-se “A” duas vezes seguidas, para habilitar o sub-menu de análise. Aparecem
na tela do plano XY dois cursores: um quadradinho (“”) e uma cruzinha (“+”).
Para movimentá-los, atua-se nas teclas:
a) “W”, “Z”, “A” e “S” para atuar no cursor (“”). Para aumentar a velocidade
de deslocamento deste vetor ao longo da tela, pressionar, simultaneamente, a
tecla “Shift” e as demais teclas mencionadas.
b) As setas “←”, “→”, “↓” e “↑” para atuar no cursor (“+”).Para aumentar a
velocidade de deslocamento deste vetor ao longo da tela, pressionar,
simultaneamente, a tecla “Shift” e as demais teclas mencionadas.
l. Ajusta-se o cursor (“”) na posição em que o vetor ponto está na tela do plano XY
e, em seguida, ajusta-se o cursor (“+”) na posição considerada como referência,
conforme descrito em 3.2.8. Estes ajustes mostram no menu principal do MAD 8D,
um valor de ângulo de fase, em graus, e um valor de tensão elétrica, em volts. A
tensão elétrica medida está diretamente relacionada à espessura da camada de óxido,
existente na amostra 8.
m. Executam-se as operações descritas nos itens acima, de “h” a “l”, para as demais
amostras e os resultados são colocados numa tabela, relacionando as tensões
elétricas obtidas e as diferentes espessuras de camadas de óxido da amostras
apresentadas.
77
Anexo B: Telas Obtidas no Ensaio de Correntes Parasitas
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 11, com uma Camada de Óxido de 17,8 µm.
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 6, com uma Camada de Óxido de 30,6 µm.
78
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 10, com uma Camada de Óxido de 40,8 µm.
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 3, com uma Camada de Óxido de 47,6 µm.
79
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 1, com uma Camada de Óxido de 54,4 µm.
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 2, com uma Camada de Óxido de 66,3 µm.
80
Tela de Sinal Proveniente da Amostra 5, com uma Camada de Óxido de 71,4 µm.
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