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PMT 3531 - PROCESSAMENTO
DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
Humberto Gracher Riella humberto.riella@ufsc.br
Elita Urano de Carvalho _ elitaucf@ipen.br
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mailto:elitaucf@ipen.br
mailto:elitaucf@ipen.br
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Combustível cerâmico:
- UO2 (ou UO2-PuO2 no caso MOX). 
- Quimicamente estáveis ​​e 
compatíveis com água, estes 
óxidos são altamente resistente a 
altas temperaturas e irradiação, 
- O oxigênio do óxido é um fraco absorvedor de nêutrons, após 
a fissão mantém sua estrutura cristalina (cúbica)
PMT 3531 – PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
COMBUSTÍVEIS PWR - MATERIAIS 2
• É o material mais utilizado para reatores de potência (PWR, 
BWR, AGR, PHWR, LWGR)
• Vantagens:
• Boa estabilidade térmica (não transform. fase)
• Elevado ponto de fusão  2.800°C
• Massa específica 10,96 g/cm3
• Baixa reatividade química c/ H2O(l) e H2O(v)
• Boa estabilidade a danos por irradiação
• Baixa dilatação térmica até 1800 °C
• Desvantagens:
• Baixa condutividade térmica
• Aquecido ao ar, oxida-se a U3O8
• Utilização:
• Na forma de pastilhas cilíndricas sinterizadas
• Massa de cada pastilha 7 a 8 g
• 60 t para reator PWR 600 Mwe
• 100 t para reator PWR 1200 Mwe
•  1/3 dos EC são substituídos a cada ano
MEDIÇÃO
PASTILHAS
PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE 
COMBUSTÍVEIS PWR – UO2
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Produção comercial de UO2
Via úmida
Química do estado sólido
Aquecimento
vapor
DUA
TCAU
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FORNOPRENSA
TCAU
FILTRO TCAU
Reconversão 
Existem três estágios principais na 
fabricação das estruturas de 
combustível nuclear utilizadas em 
PWR (LWR):
 Produção de dióxido de urânio 
puro ( UO 2 ) a partir do UF6
 Produção do pó de UO 2 de , 
material cerâmico de alta 
densidade e moldados com 
precisão .
 Produção da estrutura 
metálica rígida para a 
montagem do combustível -
principalmente de liga de 
zircônio; e carregar as pastilhas 
combustível nas barras de 
combustível, selando-as e 
montando as barras na 
estrutura de montagem de 
combustível final 5
BOCAL
INFERIOR
TUBO
REVESTIMENTO
BOCAL 
SUPERIOR
PASTILHAS DE UO2
MOLA 
PRESSÃO
PASTILHA FINAL
DE ISOLAMENTO
BOCAL
SUPERIOR
COMBUSTÍVEIS TIPO VARETA PWR – UO2
6
COMBUSTÍVEIS TIPO VARETA
7
As varetas são colocadas em 
um conjunto para formar um 
“elemento combustível “ 
posicionados numa matriz de 
malha quadrada. Esta 
disposição geométrica 
permite a circulação de água 
entre as varetas, e assim a 
remoção de calor gerado 
dentro do núcleo do reator. 
Num reator de água 
pressurizada
esta estrutura é aberta e a 
água pode circular 
transversalmente no 
elemento.
PMT 3531 – PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
MONTAGEM DO COMBUSTÍVEL TIPO VARETA
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 Criação de gradientes de temperatura elevados no combustível (~2000°C/cm)
 “Queima” (burnup) do material físsil e acúmulo de produtos de fissão
 Densificação à medida que poros no combustível cerâmico sinterizam
 Inchaço do combustível devido à formação dos produtos de fissão sólidos e 
gasosos
 Interação mecânica combustível-revestimento IMCR (FCMI)
 Liberação de gases de fissão
 Redistribuição de constituintes do combustível
 Reestruturação do combustível
 Interação química do combustível-revestimento (FCCI)
 Expansão, deformação, corrosão do revestimento
ESSES FENÔMENOS DEGRADAM O COMBUSTÍVEL NUCLEAR, 
TERMINANDO POR EXIGIR A SUA DESCARGA DO REATOR 10
Inchamento do combustível
 Combustível incha devido à geração de produtos de fissão
 Gases coalescem em bolhas, acelerando inchaço
 Inchaço do combustível tende a reduzir ou fechar o gap (espaço entre as pastilhas 
e o revestimento)
Liberação de gases de fissão
 Alguns gases de fissão escapam do combustível
 Pressurizam o plenum
Percentual de gases que escapam do combustível
< 10% em combustível LWR
> 50% em combustível de reator rápido
 Integridade do revestimento assegura a contenção dos produtos de fissão
 Violação do revestimento referida como "falha" do combustível
 Falha geralmente impede a continuidade do uso do elemento combustível
 Integridade do revestimento degrada durante a irradiação
 Pressão, temperatura e fluxo de nêutrons provocam "creep“
 Pressão elevada do refrigerante provoca deformação p/ dentro (LWR)
 Elevada liberação de gases de fissão causa deformação para fora fluência 
(LMRs)
 Danos de radiação provocam inchaço (e fragilização)
 Corrosão pelo líquido refrigerante
 Interação combustível e revestimento
(deformação)
(Fluência é a deformação permanente de materiais 
quando estes são sujeitos a cargas ou tensões 
constantes e está em função do tempo. Este tipo de 
deformação é observada em todos os tipos de 
materiais. Para os metais ela só é relevante para 
temperaturas iguais ou superiores a 
aproximadamente 0,4Tf do metal em causa) 11
ZONA II
densificação
ZONA I
Interação revestimento pastilha
Alta porosidade
Pu enriquecido
ZONA III
Aumento porosidade
Inicio liberação Xe
ZONA IV
Aumento porosidade intergranular
Crescimento dos grãos equiaxiais
 Estrutura p/ High-burnup
 Bolhas de gases de fissão
 Trincas por tensões 
térmicas 
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CHANFRO INTERFACE PASTILHAS
FALHA POLIMENTO COMBUSTIVEL REVESTIMENTOPRATO
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INTERAÇÃO MECÂNICA COMBUSTÍVEL – REVESTIMENTO
(Fuel Cladding mechanical Interation –FCMI)
• Inchaço do combustível e/ou a contração por fluência do encamisante
fecha o “gap”
• O progresso do inchaço/fluência sobrecarrega o revestimento
INTERAÇÃO QUÍMICA COMBUSTÍVEL – REVESTIMENTO
(Fuel Cladding chemical Interation –FCCI)
• Uma vez em contato, o combustível e o revestimento 
podem reagir quimicamente
• A reação produz frequentemente uma camada frágil 
que reduz a parede do revestimento
• Conforme a parede do revestimento fica mais fina as 
tensões nele aumentam
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Interação entre pastilha e 
revestimento
“Pellet-cladding interaction”O espaço “gap” diminui devido ao inchamento do 
combustível
Revestimento “cladding” 
Trincas devido a tensões térmicas 
“thermal-stress crack” 
Caminho para os produtos de fissão 
Trincas por corrosão sob 
tensão “stress-
corrosion crack”
Olander, p. 584 (1978)
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V
O
LU
M
E
 P
A
S
T
IL
H
A
 Densificação ocorre 
à medida que os 
poros no 
combustível 
cerâmico sinterizam 
 Inchaço “swelling” 
ocorre devido à 
formação de 
produtos de fissão 
sólidos e gasosos
 Xenônio e criptônio 
são insolúveis no 
UO2
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A sinterização é um processo no qual pós com preparação cristalina ou não, 
uma vez compactados, são submetidos a temperaturas elevadas, ligeiramente 
menores que a sua temperatura de fusão. Este processo cria uma alteração na 
estrutura microscópica do elemento base
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PMT 3531 – PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
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PMT 3531 – PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
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Microestrutura original com 
menor densificação < 1.100oC
Porosidade intragranular 1.100 - 1300oC
Crescimento de grãos equiaxiais 1.100 - 1600oC
Crescimento colunar de grãos grãos equiaxiais
>1600oC
Vazio central >1600oC
revestimento
Lacuna do 
combustível original
sem queima, estado 
quente, rachaduras radiais 
devido a tensões térmicas
Porosidade intragranular
grãos equiaxiais
grãos colunar 
Reestruturação 
de combustível 
5GWd/t 
10GWd/t 
Analise de Pos irradiação
Do Combustível
 20 GWd/t 
Estado frio
20
RACHADURA DEVIDO À DIFERENÇA COEFFICIENTE DE 
EXPANSÃO TÉRMICA EM VÁRIAS TEMPERATURAS
PASTILHAS INCHADAS
PRODUTOS FISSÃO GASOSOS (Xe,Kr...)
Densidade e porosidade evolui com burnup
Inicio de vida
Depois ciclo 1
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FENÔMENOS INTERATIVOS QUE OPERAM NO COMBUSTÍVEL DURANTE A IRRADIAÇÃO
Redestribuição
Pu e PF
RESTRUTURAÇÃO 
COMBUSTÍVEL
Densificação
Crescimento grão
Vazio central
TEMPERATURA
COMBUSTÍVEL Stress
revestimentodano
rastejante
PCI/SCC
INCHAMENTO PF Combustível/
revestimento
Liberação
PF volateis
Liberação
gases
Condutância
Expansão 
Termica
PCMI
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Defeitos Primários 
• Defeitos de Fabricação 
• Hidretação Primária 
• Interação Pastilha-Revestimento (Pellet-Clading Interaction) 
Corrosão Colapso do Revestimento 
• Atrito Grade Espaçadora-
Vareta Combustível (Grid-Rod Fretting), Debris Baffle Jetting
• Empenamento da Vareta (rod bow) 
• Dano Mecânico no EC Danos em Grades Espaçadoras 
Defeitos Secundários 
• Deterioração de Varetas Combustíveis Falhadas 
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MECANISMO CAUSA RAIZ
AREAS RELACIONADAS
FABRICAÇÃO OPERAÇÃO PROJETO
Defeitos de 
fabricação
Porosidade nos tampões terminais
Defeitos de soldagem
Hidretação externa por contaminação Ni
X
X
X
Hidretação Umidade/contaminação pastilha/vareta X
PCI/SCC Altas rampas de potencia excedente limite de PCI X X
Corrosão
Contaminação na solda
Excedendo limites corrosão por fluxo de calor /burnup
Susceptividade do revestimento/química H2O
Sobreaquecimento devido a crud/bloqueio do canal
Concentração local de corrosão por hidrogênio
X
X
X
X
X
X
X
X
Colapso do 
revestimento
Gap axial na coluna de pastilha X X 24
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MECANISMO CAUSA RAIZ
AREAS RELACIONADAS
FABRICAÇÃO OPERAÇÃO PROJETO
Atrito vareta-
grade 
espaçadora
Suporte insuficiente da vareta
Vibração da vareta por instabilidade fluido-elástica/cross-flow
Vibração da vareta/EC induzida por escoamento do fluido
Vibração do EC devido a força insuficiente na mola de fixação do EC
Grade danificada
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Atrito por Debris Debris circulando no refrigerante X
Baffle Jetting Baffle com defeito X
Empenamento da 
vareta
Interação vareta/grade espaçadora
Desalinhamento estrutural devido ao crescimento axial diferencial 
das varetas combustíveis X
X
X
Empenamento EC Creep e Cross Flow
Alto gradiente radial de fluxo/potencia
Alta força da mola de fixação do EC
X
X
X
X
X
Outras 
deformações
Desalinhamento estrutural pelo crescimento diferencial dos 
componentes de Zry
X
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MECANISMO CAUSA RAIZ
AREAS RELACIONADAS
FABRICAÇÃO OPERAÇÃO PROJETO
Dano mecânico manuseio X
Desgaste por atrito
- tampão inferior
- placa terminal
- Canto grade espaçadora
- Canal
- Tubo Guia
Tampão inferior longo/alto escoamento
Vibração(ressonância)por pulsação de pressão
Empenamento do EC
Vibração de componente in-core
Vibração do elemento de controle
X
X
X
X
X
X
X
X
Hidretação Zry Absorção excessiva de hidrogênio por componente de Zry X X
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Boiling Water Reactor
(Reator de água fervente)
Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor
(Reator moderado a água)
CANDU
(Reator de água pesada pressurizada)
água leve 
urânio enriquecido
água leve 
urânio enriquecido
Água pesada 
urânio natural
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29
30
31
O colapso do revestimento devido à 
densificação das pastilhas de 
combustível, formando folgas(gap) 
axiais na coluna de pastilhas, resultou 
em falhas de varetas de combustível 
no inicio dos anos de 70 em muitos 
PWR.
Eliminada pelo uso de pastilhas com 
menor densificação (95% da 
densidade teórica) durante a 
irradiação, e pre-pressurização da 
vareta com gás He, além do suporte 
interno realizado pela mola do plenum
superior)
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Aparência visual dos desgastes em revestimentos de varetas combustíveis nos pontos de contato 
com as grades espaçadoras
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Marcas de batidas 
durante manuseio
Dano na grade
Espaçadora durante o manuseio
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ALETA SUPERIOR DA 
GRADE ARRANCADA
Canto da grade arrancado
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Defeito primário
Decomposição radiolitica de vapor
Vapor/H2O2 –reação do combustível
Vapor/H2O2 – Reação revestimento
Região de inanição de vapor
Inicio do segundo defeito
Combustível gap revestimento
Estágio 1: Defeito primário: como a pressão do refrigerante é muito maior que a pressão 
interna da vareta de combustível, o refrigerante se transforma em vapor preenchendo a folga 
pastilha-revestimento e o plenum de modo a equalizar a pressão, o que finaliza este estágio. 
O tempo para equalizar pode variar de poucos minutos , horas ou dias. Após a equalização os 
produtos de fissão gasosos escapam da vareta de combustível para o refrigerante. Consistindo 
na primeira evidencia de falha na vareta combustível. A oxidação do revestimento e a erosão 
tensionam a área de defeito primário e mecanicamente o largam ate cerca de 0,015mm.
Estágio 2: Detecção e desenvolvimento do defeito primário: O defeito gerado pela 
hidretação secundária é produzido num certo ponto ao longo do comprimento da parede 
interna (localização deste defeito secundário seria distante do defeito primário e 
provavelmente situado numa região submetida a picos de potência e fluxo máximo de 
calor).No final, o sunburst já penetrou a parede do revestimento e pode ocorrer uma 
alteração no nível da atividade liberada para o refrigerante devido à ocorrência de trinca na 
posição do defeito secundário. Nesta fase, o defeito primário pode atingir até 1mm de 
diâmetro equivalente. A taxa de liberação de gases de fissão aumenta lentamente.
Estágio 3: Desenvolvimento do defeito secundário: Neste estágio, o combustível foi exposto 
ao refrigerante através do defeito de 1cm2 de diâmetro equivalente. O mecanismo que agora 
controla a deteriorização é a oxidação do revestimento hidretado. Esta deterioração é mais 
rápida que o processo de alargamento do defeito primário.
Estágio 4: Aceleração do dano secundário: aqui o revestimento começa a se romper.
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Estágio do desenvolvimento da falha em vareta combustível a partir de Hidretação
secundária em revestimento de zircaloy(Locke 1972)
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ASPECTO DA HIDRETAÇÃO MASSIVA (Sunburst)
OBSERVADA EXPERIMENTAMENTE
Camada de 
óxido
Espessura do
revestimento
Folga (gap)
Pastilha de 
combustível
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Ruptura da vareta na região da 
solda do tampão inferior da VC 
de BWR
Rachadura Axial em 
revestimento de Zry-2 de BWR
Rachadura Axial em 
revestimento de Zry-2 de BWR
Rachadura circunferencial em 
revestimento de Zry-2 de BWR
Blister e Rachadura Axial em Varte de Combustível de 
Reator PWR (Chapot et al., 2002)
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Comportamento dos gases de fissão
Processos básicos envolvendo bolhas de gases de fissão e átomos de 
gases dissolvidos:
• Nucleação – átomos difundindo para formar di-átomos, que será 
como um embrião(núcleo) de bolhas;
Xe + Xe →Xe2
Os átomos de Xe criados pela fissão nucleam novas bolhas de 
embrião pela reação acima ou aumentam o 
tamanho dos aglomerados existentes (embrião de bolha)
Xe + Xe2 →Xe3
Xe + Xe3 →Xe4
• Crescimento – coleção de ´´átomos de gás recém criadas por 
difusão a partir do sólido para a bolha
• Re-solução – átomos de Xe numa bolha são injetados no sólido 
pela passagem de um fragmento de fissão;
• Coalescência – duas bolhas se juntam numa única bolha maior;
• Liberação – átomos de gás escapam por difusão para contornos 
de grão ou superfícies livre.
Precipitação de gás de fissão em UO 2 irradiado 
(TEM). As bolhas têm uma distribuição de tamanho bimodal
evidente.
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PMT 3531 - PROCESSAMENTO
DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES II
Humberto Gracher Riella humberto.riella@ufsc.br
Elita Urano de Carvalho _ elitaucf@ipen.br
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mailto:elitaucf@ipen.br