Superligas para o setor energético, Parte 3 - Reatores de sal fundido e superliga Hastelloy® N

Nos Estados Unidos, o primeiro projeto comercial de reator de sal fundido (MSR), classificado como reator nuclear Gen IV, está a ser implementado. Esses reatores pretendem ser uma alternativa mais segura e ecológica aos reatores mais antigos Gen II e Gen III, refrigerados a água. A superliga Hastelloy® N foi desenvolvida especificamente para lidar com o ambiente corrosivo desafiador dentro do reator e do sistema de refrigeração. O que torna a Hastelloy N tão especial? Por que os MSR precisam de uma superliga personalizada?

Reatores de sal fundido

Os reatores de sal fundido (MSR) usam sais líquidos, geralmente uma mistura de urânio, fluoreto de sódio e zircónio, como combustível. Quando o combustível entra no reator, ele reage, gerando quantidades impressionantes de energia térmica. À medida que o sal combustível sai do reator, esse calor é transferido através de permutadores de calor para um circuito de arrefecimento secundário, onde flui outra mistura de sais não radioativos. O calor é então transferido para o circuito de acionamento da turbina. O uso de sais líquidos quentes como combustível e refrigerante oferece várias vantagens em relação aos reatores refrigerados a água:

• Temperatura mais alta, pressão mais baixa - os sais permanecem líquidos a temperaturas de 600 a 900 °C sem a necessidade de aumentar a pressão. Em contrapartida, nos reatores refrigerados a água, a água precisa ser pressurizada a 150 bar para permanecer líquida - e mesmo assim não pode ultrapassar os 300 °C. Isso significa que a) o reator opera com mais eficiência e b) evita o risco de água quente altamente pressurizada, que poderia se converter em hidrogénio e explodir (ver: Chernobyl).
• Sem refrigerante, sem reação - em reatores refrigerados a água, uma falha no sistema de refrigeração pode levar diretamente ao derretimento do núcleo (veja: Fukushima). Em reatores de sal fundido, esses riscos são significativamente reduzidos. A falta de fluxo de sal não desencadeia uma reação em cadeia descontrolada, assim como um motor não pode funcionar sem uma bomba de combustível.
• O combustível líquido é mais fácil de neutralizar - um sistema de segurança envolve drenar o combustível líquido para um tanque grande e frio longe do reator, onde os sais esfriam rapidamente, não podem sustentar reações e se tornam não radioativos em um tempo relativamente curto.

Desafios para as ligas metálicas

Uma mistura de fluoreto de sódio, zircônio e urânio aquecida a mais de 700 °C cria um ambiente altamente corrosivo. Os sais causam a formação de escória nas superfícies metálicas e degradam a camada protetora de óxido.

Solução: Hastelloy® N

Hastelloy® N foi projetado especificamente para reatores de sal fundido como parte do programa americano MSRE, o primeiro reator experimental de sal fundido construído nos EUA. O interior do reator, os tubos, os permutadores de calor e as bombas do circuito de refrigeração estiveram operacionais entre 1964 e 1969. Embora as opiniões dos inspetores variassem, acredita-se geralmente que o Hastelloy N poderia suportar um ciclo de vida completo de 30 anos de um reator comercial. O Hastelloy N oferece:

• Resistência à corrosão: Oferece alta resistência à corrosão na presença de sais de fluoreto fundidos, que são um meio crítico nos reatores MSR. A taxa de corrosão documentada em sal LiF-BeF₂ (o sal combustível do reator MSRE) a 700 °C foi inferior a 0,0025 mm por ano e 0,015 mm por ano para o sal do circuito de refrigeração NaBF₄-NaF aquecido a 600 °C.
• Estabilidade térmica: Com excelente resistência à deformação sob calor, o Hastelloy N pode operar em temperaturas extremas por muitos anos sem perder flexibilidade ou rachar.

O valor do Hastelloy N é comprovado por um estudo científico publicado em 2021:

“A análise elementar da distribuição dos produtos de corrosão após a corrosão e a análise dos resultados de EDXS, XRD e XPS demonstraram que o Hastelloy-N teve um desempenho melhor do que qualquer outra liga durante os testes de corrosão, com a profundidade de corrosão nesta liga sendo cerca de 10 vezes menor do que na liga X750.”

~Ketan Kumar Sandhi, Jerzy A. Szpunar, Análise da corrosão do Hastelloy-N, da liga X750, do SS316 e do SS304 em ambiente de alta temperatura com sal fundido

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