Relatórios diários sobre a transição energética europeia e global

1 de fevereiro de 2023 por David Chandler EOD Estetoscópio Eletrônico

Para que a energia nuclear prospere, em vez de retroceder e ser substituída por alternativas, as usinas que chegam ao fim de suas vidas precisam ser substituídas por novas.Ou, talvez mais interessante, as plantas existentes podem ter suas vidas úteis muito estendidas, com segurança e baixo custo?David Chandler, do MIT, descreve uma nova pesquisa liderada pelo MIT para detectar e medir defeitos em componentes críticos para garantir que danos causados ​​por calor e radiação não tenham levado, e não levarão, a rachaduras ou fragilização inseguras.Atualmente, os testes exigem desligamentos caros – e, portanto, pouco frequentes – do reator.Mas a detecção e reparo frequentes e precisos prolongam a vida útil dos componentes.Os pesquisadores usaram com sucesso lasers para fazer o monitoramento.Eles agora estão trabalhando em um kit portátil de teste a laser no local que tornará os testes mais frequentes, simples e baratos, com o objetivo de prolongar a vida útil de uma planta em décadas.

Um novo método poderia reduzir muito o tempo e as despesas necessárias para certas verificações de segurança importantes em reatores de energia nuclear.A abordagem pode economizar dinheiro e aumentar a produção total de energia no curto prazo, e pode aumentar a vida operacional segura das usinas no longo prazo.

Uma das maneiras mais eficazes de controlar as emissões de gases de efeito estufa, argumentam muitos analistas, é prolongar a vida útil das usinas nucleares existentes.Mas estender essas plantas além de suas vidas operacionais originalmente permitidas requer o monitoramento da condição de muitos de seus componentes críticos para garantir que danos causados ​​por calor e radiação não tenham levado, e não levarão, a rachaduras ou fragilização inseguras.

Hoje, o teste dos componentes de aço inoxidável de um reator - que compõem grande parte dos sistemas de encanamento que evitam o acúmulo de calor, bem como muitas outras peças - requer a remoção de peças de teste, conhecidas como cupons, do mesmo tipo de aço que são deixados adjacentes a os componentes reais para que experimentem as mesmas condições.Ou requer a remoção de uma pequena peça do componente operacional real.Ambas as abordagens são feitas durante desligamentos dispendiosos do reator, prolongando essas interrupções programadas e custando milhões de dólares por dia.

Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares criaram um novo teste prático e barato que pode produzir informações semelhantes sobre a condição desses componentes do reator, com muito menos tempo necessário durante o desligamento.As descobertas foram relatadas este mês na revista Acta Materiala em um artigo do professor de ciência e engenharia nuclear do MIT, Michael Short;Saleem Al Dajani, que fez seu trabalho de mestrado no MIT neste projeto e agora é aluno de doutorado na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST) na Arábia Saudita;e 13 outros no MIT e outras instituições.

Uma das maneiras mais eficazes de controlar as emissões de gases de efeito estufa, argumentam muitos analistas, é prolongar a vida útil das usinas nucleares existentes.Mas fazer isso requer o monitoramento da condição de muitos de seus componentes críticos para garantir que danos causados ​​por calor e radiação não tenham levado, e não levarão, a rachaduras ou fragilização inseguras./ IMAGEM: iStock

O teste envolve direcionar feixes de laser para o material de aço inoxidável, o que gera ondas acústicas de superfície (SAWs) na superfície.Outro conjunto de feixes de laser é então usado para detectar e medir as frequências dessas SAWs.Testes em material envelhecido de forma idêntica às usinas nucleares mostraram que as ondas produziram uma assinatura espectral de pico duplo distinta quando o material foi degradado.

Short e Al Dajani embarcaram no processo em 2018, procurando uma maneira mais rápida de detectar um tipo específico de degradação, chamada decomposição espinodal, que pode ocorrer em aço inoxidável austenítico, usado para componentes como o 2 a 3 tubos de 30 centímetros de largura que transportam água refrigerante de e para o núcleo do reator.Esse processo pode levar à fragilização, rachaduras e falha potencial em caso de emergência.

Embora a decomposição espinodal não seja o único tipo de degradação que pode ocorrer nos componentes do reator, é uma preocupação primordial para a vida útil e sustentabilidade dos reatores nucleares, diz Short.

“Estávamos procurando um sinal que pudesse vincular a fragilização do material com as propriedades que pudéssemos medir, que pudessem ser usadas para estimar a vida útil de materiais estruturais”, diz Al Dajani.

Eles decidiram tentar uma técnica que Short e seus alunos e colaboradores haviam expandido, chamada espectroscopia de grade transiente, ou TGS, em amostras de materiais de reatores conhecidos por terem experimentado decomposição espinodal como resultado de sua história de envelhecimento térmico semelhante a um reator.O método usa feixes de laser para estimular e, em seguida, medir SAWs em um material.A ideia era que a decomposição deveria diminuir a taxa de fluxo de calor através do material, e essa desaceleração seria detectável pelo método TGS.

No entanto, verifica-se que não houve tal desaceleração.“Entramos com uma hipótese sobre o que veríamos e estávamos errados”, diz Short.

Muitas vezes é assim que as coisas funcionam na ciência, diz ele.“Você sai armado, procurando por uma determinada coisa, por um grande motivo, e acaba se enganando.Mas se você olhar com cuidado, encontrará outros padrões nos dados que revelam o que a natureza realmente tem a dizer.”

Em vez disso, o que apareceu nos dados foi que, embora um material geralmente produzisse um único pico de frequência para os SAWs do material, nas amostras degradadas havia uma divisão em dois picos.

“Era um padrão muito claro nos dados”, lembra Short.“Só não esperávamos, mas estava bem ali gritando para nós nas medições.”

Os aços inoxidáveis ​​austeníticos fundidos, como os usados ​​nos componentes do reator, são conhecidos como aços duplex, na verdade uma mistura de duas estruturas cristalinas diferentes no mesmo material por design.Mas enquanto um dos dois tipos é bastante imune à decomposição espinodal, o outro é bastante vulnerável a ela.Quando o material começa a se degradar, a diferença aparece nas diferentes respostas de frequência do material, que é o que a equipe encontrou em seus dados.

Essa descoberta foi uma surpresa total, no entanto.“Alguns de meus alunos atuais e antigos não acreditavam que isso estava acontecendo”, diz Short.“Não conseguimos convencer nossa própria equipe de que isso estava acontecendo, com as estatísticas iniciais que tínhamos.”Então, eles voltaram e realizaram mais testes, que continuaram a fortalecer a significância dos resultados.Eles chegaram a um ponto em que o nível de confiança era de 99,9% de que a decomposição espinodal era de fato coincidente com a separação do pico da onda.

“Nossas discussões com aqueles que se opunham às nossas hipóteses iniciais acabaram levando nosso trabalho para o próximo nível”, diz Al Dajani.

Os testes que eles fizeram usaram grandes lasers e sistemas ópticos baseados em laboratório, então o próximo passo, no qual os pesquisadores estão trabalhando arduamente, é miniaturizar todo o sistema em algo que pode ser um kit de teste facilmente portátil para usar para verificar os componentes do reator em -site, reduzindo a duração das paradas.“Estamos avançando muito, mas ainda temos um longo caminho a percorrer”, diz ele.

Mas quando eles alcançam o próximo passo, diz ele, isso pode fazer uma diferença significativa.“Todo dia que sua usina nuclear falha, para um reator típico em escala de gigawatts, você perde cerca de US$ 2 milhões por dia em eletricidade perdida”, diz Al Dajani, “portanto, reduzir as interrupções é uma grande coisa no setor no momento”.

Ele acrescenta que o objetivo da equipe era encontrar maneiras de permitir que as usinas existentes operem por mais tempo: “Deixá-las ficar inoperantes por menos tempo e serem tão seguras ou mais seguras do que são agora - sem atalhos, mas usando ciência inteligente para nos dar o mesma informação com muito menos esforço.”E é isso que essa nova técnica parece oferecer.

Short espera que isso possa ajudar a permitir a extensão das licenças de operação da usina por mais algumas décadas sem comprometer a segurança, permitindo testes frequentes, simples e baratos dos principais componentes.

As usinas de grande escala existentes “geram quase um bilhão de dólares em eletricidade livre de carbono por usina a cada ano”, diz ele, enquanto colocar uma nova usina online pode levar mais de uma década.“Para preencher essa lacuna, manter nossas armas nucleares atuais online é a maior coisa que podemos fazer para combater as mudanças climáticas.”

A equipe incluiu pesquisadores do MIT, Idaho National Laboratory, Manchester University e Imperial College London no Reino Unido, Oak Ridge National Laboratory, Electric Power Research Institute, Northeastern University, University of California em Berkeley e KAUST.O trabalho foi financiado pelo Centro Internacional de Design do MIT e pela Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura, pela Comissão Reguladora Nuclear dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.

David Chandler é um escritor do Instituto no MIT

Reimpresso com permissão do MIT News

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