Tipos de aço para vasos de pressão de reatores

A NuScale já tentou e não conseguiu fechar contratos para vários Reatores Modulares Pequenos (SMRs) nos EUA e na Europa, mas a ideia é forte o suficiente para ignorar as alegações de que os SMRs são caros demais para serem comercializados. Falando em custo e materiais - que liga metálica será usada nas futuras usinas de reatores? Enquanto os reatores de quarta geração exigem ligas avançadas de níquel, os SMRs refrigerados a água projetados pela NuScale dependem do aço. Neste artigo, vamos explorar os desafios que o aço enfrenta nos reatores nucleares, os tipos de aço usados historicamente e os candidatos mais promissores para projetos futuros.

Desafios para o aço em vasos de pressão de reatores nucleares

O vaso de pressão do reator (RPV) é um componente essencial dos reatores nucleares de água. Ele envolve o núcleo do reator, incluindo todo o combustível nuclear, e é super importante para a segurança da usina. Como os RPVs não são trocados durante a vida útil da usina, eles precisam manter a integridade por décadas, mesmo com a exposição prolongada à radiação, altas temperaturas e pressões extremas.

Nos modernos reatores de água leve (LWRs), incluindo projetos de reatores modulares pequenos (SMRs), os vasos de pressão devem suportar:

• Temperaturas que chegam a 300 °C
• Altas tensões mecânicas
• Efeitos corrosivos da água
• Exposição à radiação de neutrões

Esses desafios exigem ligas com resistência, resistência à corrosão e tolerância à radiação. Além disso, o custo é um fator - embora as ligas de níquel ofereçam excelentes propriedades, o seu custo elevado torna-as impraticáveis para uso generalizado em reatores comerciais. É por isso que se usa aço em vez disso.

Aços dos primeiros reatores - aços carbono e ferríticos

Uso inicial do aço carbono: Nos primeiros anos da energia nuclear, os RPVs comerciais eram feitos de aço normalizado e temperado com baixo teor de carbono. Depois, foram introduzidos aços de baixa liga com adições de manganês, molibdénio e níquel. Por exemplo, o aço ASTM Tipo A212-B foi usado no reator americano Indian Point-1.

Décadas de 1960 e 1970 – Aço ferrítico de baixa liga: Na década de 1970, a maioria dos reatores nucleares comerciais tinha RPVs feitos de aço ferrítico de manganês-molibdénio temperado e revenido. Os reatores nucleares japoneses, incluindo os reatores de água pressurizada (PWRs) e os reatores de água fervente (BWRs), usavam normalmente aço A533 Grau B Classe 1, exceto a central nuclear de Tsurugi (que usava aço A302-B) e o JPDR-2 (que usava uma variante normalizada e temperada do aço A302-B).

Na Alemanha Ocidental, os RPVs eram fabricados com aço ferrítico local dos tipos 22NiMoCr37 e 20MnMoNi55 (1.6311). O aço ferrítico era mais resistente, mas não perfeito - um RPV alemão feito de aço 22NiMoCr37 apresentou fissuras por corrosão sob tensão e fissuras sob o revestimento.

O aço carbono não foi completamente abandonado - o reator sueco Ågesta usava um aço carbono-manganês semelhante ao ASTM A212-B.

O futuro: aços inoxidáveis austeníticos?

Os SMRs representam um avanço potencial na energia nuclear, e muitos projetos continuam a utilizar a tecnologia LWR refrigerada a água, trazendo uma atenção renovada aos materiais ideais para RPV. Quais aços estão a ser considerados? Um importante relatório técnico apresentado pela NuScale à Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos (NRC) fornece algumas informações.

De acordo com o documento, o projeto SMR da NuScale apresenta um vaso de pressão do reator inferior construído em aço inoxidável austenítico SA-965 Grau FXM-19, com materiais de soldagem E/ER209 ou E/ER240. Este material, também conhecido como S20910, XM-19 ou Nitronic 50,

é comumente usado nas indústrias petroquímica, química e naval. Mas por que escolher o aço austenítico em vez do aço ferrítico?

O relatório da NuScale afirma:

“Os dados mostram que os aços inoxidáveis austeníticos têm ductilidade superior e são menos suscetíveis aos efeitos da fragilização por neutrões e térmica do que os materiais ferríticos.”

Além do XM-19, outros aços inoxidáveis austeníticos usados em aplicações nucleares incluem o aço 304, o aço 347 e o aço 316. A NuScale escolheu o Nitronic 50 por causa da sua resistência superior.

Vale a pena notar que os RPVs de aço austenítico têm sido usados em reatores de pesquisa nuclear há décadas. Um exemplo notável é o Reator de Teste Avançado (ATR) nos EUA, que está em funcionamento desde 1967 - mais de 58 anos de exposição a neutrões! O RPV do ATR é feito de aço inoxidável AISI 304. Se os SMRs se tornarem comuns, isso marcará o primeiro uso comercial em grande escala do aço inoxidável austenítico em usinas nucleares.

Os SMRs vão ser comercializados?

Há alguns anos, a Polónia queria lançar os seus primeiros SMRs até 2029. Mas, o fracasso da NuScale com o seu projeto piloto nos EUA deixou dúvidas, causando atrasos na parceria com a empresa polaca KGHM. Apesar disso, o conceito continua viável, e as esperanças aumentaram com o recente acordo entre a Westinghouse e a Korea Hydro & Nuclear Power, duas importantes desenvolvedoras de SMRs, que pode resultar em custos de EPC mais baixos.

Uma coisa é certa: o desenvolvimento da tecnologia nuclear nos permite ver o aço, esse material fascinante, sob uma nova perspectiva. Aço 304, Aço 316, e XM-19 são materiais super duráveis, usados com sucesso como alternativas econômicas às ligas de níquel caras. São muito usados nas indústrias petroquímica, química, naval e alimentícia.

Se tiver interesse em algum desses materiais incríveis que falamos aqui, mande uma mensagem.

Tabelas

Comparação das composições químicas:

Grau de aço	C:	Si:	Mn:	P:	S:	Ni:	Cr:	Cu:	Mo:	V:	Outros:
A533-B, C1.1	<0.25	0.15-0.40	1.15-1.50	<0.035	<0.04	0.4-0.7	-	<0.01	0.45-0.60	<0.05	-
A508-B, C1.2	<0.27	0.15-0.40	0.5-1.0	<0.025	<0.025	0.5-1.0	0.25-0.45	<0.1	0.55-0.70	<0.05	-
A508-B, C1.3	<0.25	0.15-0.40	1.20-1.50	<0.025	<0.025	0.4-1.0	<0.25	<0.1	0.45-0.60	<0.05	-
20MnMoNi55 (1.6311)	0.17-0.23	0.15-0.30	1.20-1.50	<0.012	<0.008	0.5-0.8	<0.2	<0.12	0.40-0.55	<0.02	Al: 0.01-0.04

Propriedades mecânicas à temperatura ambiente:

Grau de aço	Resistência à tração:	Limite de escoamento:	Alongamento:	Redução relativa da área:
A533-B, C1.1	>550 MPa	>345 MPa	>18%	-
A508-B, C1.3	>550 MPa	>345 MPa	>18%	>38%
20MnMoNi55 (1.6311)	560-700 MPa	>390 MPa	>19%	>45%

Bibliografia

Suzuki, K.1, Reactor Pressure Vessel Materials, International Atomic Energy Agency, October 1998

Use of Austenitic Stainless Steel for NPM Lower Reactor Pressure Vessel, NuScale Power, LLC, December 2022