Investigando o comportamento mecânico do Fukushima MCCI usando tomografia síncrotron de raios X e correlação de volume digital

npj Degradação de materiais volume 6, número do artigo: 55 (2022) Citar este artigo

1172 Acessos

7 Altmétrico

Detalhes das métricas

Um alvo principal para a operação de limpeza do desastre de Fukushima é a recuperação de produtos da Interação Núcleo Fundido-Concreto (MCCI), atualmente residindo no porão das Unidades 1–3 do reator nuclear danificado. MCCI é uma fusão de materiais, composta tanto por revestimento de combustível nuclear quanto por componentes estruturais vizinhos. Determinar as propriedades físicas e mecânicas atualmente desconhecidas do MCCI é essencial para uma recuperação bem-sucedida e oportuna. Neste artigo, pretendemos quantificar experimentalmente as propriedades mecânicas de um material fabricado para se assemelhar ao MCCI. Uma amostra representativa de pequena escala foi testada mecanicamente usando carregamento escalonado de indentação Hertziana. A tomografia computadorizada de raios X síncrotron foi realizada em vários estágios de carregamento para revelar a microestrutura da amostra e a degradação mecânica. Os tomogramas adquiridos foram analisados ​​por correlação de volume digital para medir deslocamentos de campo total e deformações desenvolvidas dentro do volume da amostra. O módulo de Young e o índice de Poisson foram determinados através desta metodologia combinada.

Em 2011, um tsunami engolfou a Usina Nuclear de Fukushima Daiichi (FDNPP) e resultou em um acidente com perda de refrigerante que derreteu parcialmente as Unidades 1–3 do reator de água fervente. Apesar da injeção de água do mar com alta salinidade nos núcleos do reator para resfriamento de emergência, as temperaturas do reator subiram para mais de 2.000 °C, derretendo pelotas de combustível UO2, revestimento de zircônio e componentes, como aço do recipiente de contenção e concreto1. Depois que a temperatura no reator se estabilizou abaixo de 100 °C, a mistura solidificou em uma vitrocerâmica, conhecida como Interação Núcleo Fundido-Concreto (MCCI). Mesmo agora, quase 400 m3 de água são necessários diariamente para resfriar os vasos do reator danificado, onde o MCCI está incorporado, a partir do calor gerado pelo decaimento radioativo dos estoques de 137Cs e 90Sr2. A interação química entre a água de resfriamento e o MCCI leva à dissolução dos radionuclídeos. A água de resfriamento contaminada, que vaza do núcleo do reator danificado, é coletada em instalações vizinhas para reprocessamento e remediação. No entanto, os perigos relacionados com fugas dos tanques de água contaminada ainda persistem, enquanto eventos de fuga de 137Cs radioativos para o ambiente são periodicamente relatados2. É, portanto, fundamental desmantelar totalmente a central, extraindo os resíduos altamente radioactivos e armazenando-os em segurança. Prevê-se que o desmantelamento completo do FDNPP demore décadas, levantando preocupações sobre os riscos ambientais associados a todo o processo de limpeza3.

O ambiente de dose extremamente alta nos vasos do reator FDNPP danificados exige o projeto e a fabricação de equipamentos robóticos de tecnologia avançada para recuperar o MCCI incorporado. O descomissionamento seguro e eficaz está diretamente associado à interrupção quase insignificante da integridade do material durante as operações de remoção. O potencial não cumprimento desta meta poderá levar à dispersão de material altamente radioativo no ambiente circundante, impondo sérios riscos radiológicos à saúde. Assim, a avaliação precisa das propriedades físicas, químicas e, predominantemente, mecânicas do material incorporado nos núcleos do reator é vital para uma recuperação bem-sucedida. É de suma importância concentrar-se nos efeitos da interação a longo prazo do MCCI residente nos reatores danificados com a água do mar e a água de resfriamento. A alteração química do material inicialmente formado pode afetar drasticamente o seu comportamento mecânico. Uma série de estudos, discutindo os mecanismos de dissolução e a formação de novas fases durante o envelhecimento das “lavas” de Chernobyl4,5,6, pode indicar que a composição do Fukushima MCCI, daí o seu comportamento de degradação, também é dependente do tempo.

Devido à alta radioatividade, é quase impossível realizar testes mecânicos padrão nesses materiais e extrair as propriedades necessárias para projetar sistemas robóticos de recuperação. Os níveis de complexidade aumentam uma vez que a microestrutura do material é consideravelmente heterogênea.