Tecnologia Científica
Estudo esclarece vida útil do grafite em reatores nucleares
Cientistas descobriram uma ligação entre a distribuição do tamanho dos poros do material e sua capacidade de suportar radiação.
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Zach Winn - 20/08/2025
Uma nova pesquisa revelou uma ligação entre as propriedades do grafite e o comportamento do material em resposta à radiação. "Parece que, depois de tanto tempo irradiado, o grafite começa a se recuperar", diz Sean Fayfar. Créditos: Imagem: MIT News; iStock
O grafite é um componente estrutural essencial em alguns dos reatores nucleares mais antigos do mundo e em muitos dos projetos de última geração em construção. Mas ele também se condensa e incha em resposta à radiação — e o mecanismo por trás dessas mudanças tem se mostrado difícil de estudar.
Agora, pesquisadores e colaboradores do MIT descobriram uma ligação entre as propriedades do grafite e o comportamento do material em resposta à radiação. As descobertas podem levar a métodos mais precisos e menos destrutivos de prever a vida útil dos materiais de grafite usados em reatores em todo o mundo.
“Fizemos alguns experimentos científicos básicos para entender o que leva ao inchaço e, eventualmente, à falha em estruturas de grafite”, afirma Boris Khaykovich, pesquisador do MIT e autor sênior do novo estudo. “Mais pesquisas serão necessárias para colocar isso em prática, mas o artigo propõe uma ideia atraente para a indústria: talvez não seja necessário quebrar centenas de amostras irradiadas para entender seu ponto de falha.”
Especificamente, o estudo mostra uma conexão entre o tamanho dos poros do grafite e a maneira como o material incha e encolhe em volume, levando à degradação.
“A vida útil da grafite nuclear é limitada pelo inchaço induzido pela irradiação”, afirma o coautor e pesquisador do MIT, Lance Snead. “A porosidade é um fator determinante nesse inchaço e, embora a grafite tenha sido extensivamente estudada para aplicações nucleares desde o Projeto Manhattan, ainda não temos uma compreensão clara da porosidade, tanto nas propriedades mecânicas quanto no inchaço. Este trabalho aborda isso.”
O artigo de acesso aberto foi publicado esta semana na Interdisciplinary Materials . É coautor de Khaykovich, Snead, do pesquisador do MIT Sean Fayfar, do ex-pesquisador do MIT Durgesh Rai, do professor assistente da Stony Brook University David Sprouster, da cientista da equipe do Laboratório Nacional de Oak Ridge Anne Campbell e do físico do Laboratório Nacional de Argonne Jan Ilavsky.
Um material complexo e muito estudado
Desde 1942, quando físicos e engenheiros construíram o primeiro reator nuclear do mundo em uma quadra de squash convertida na Universidade de Chicago, o grafite tem desempenhado um papel central na geração de energia nuclear. O primeiro reator, apelidado de Pilha de Chicago, foi construído com cerca de 40.000 blocos de grafite, muitos dos quais continham pepitas de urânio.
Hoje, o grafite é um componente vital de muitos reatores nucleares em operação e espera-se que desempenhe um papel central nos projetos de reatores da próxima geração, como os de sal fundido e os de gás de alta temperatura. Isso porque o grafite é um bom moderador de nêutrons, desacelerando os nêutrons liberados pela fissão nuclear, aumentando a probabilidade de eles próprios criarem fissões e sustentarem uma reação em cadeia.
“A simplicidade do grafite o torna valioso”, explica Khaykovich. “Ele é feito de carbono e a maneira limpa de produzi-lo é relativamente bem conhecida. O grafite é uma tecnologia muito madura. É simples, estável e sabemos que funciona.”
Mas o grafite também tem suas complexidades.
“Chamamos o grafite de compósito, mesmo que seja formado apenas por átomos de carbono”, diz Khaykovich. “Ele inclui 'partículas de enchimento', que são mais cristalinas, uma matriz chamada 'aglutinante', que é menos cristalina, e poros que variam em comprimento de nanômetros a muitos micrômetros.”
Cada grau de grafite tem sua própria estrutura composta, mas todos eles contêm fractais, ou formas que parecem iguais em escalas diferentes.
Essas complexidades dificultam a previsão de como o grafite responderá à radiação em detalhes microscópicos, embora se saiba há décadas que, quando o grafite é irradiado, ele primeiro se densifica, reduzindo seu volume em até 10%, antes de inchar e rachar. A flutuação de volume é causada por alterações na porosidade e na tensão de rede do grafite.
“O grafite se deteriora sob radiação, como qualquer material”, diz Khaykovich. “Então, por um lado, temos um material extremamente conhecido e, por outro, temos um material imensamente complexo, com um comportamento impossível de prever por meio de simulações computacionais.”
Para o estudo, os pesquisadores receberam amostras de grafite irradiadas do Laboratório Nacional de Oak Ridge. Os coautores Campbell e Snead estiveram envolvidos na irradiação das amostras há cerca de 20 anos. As amostras são de um tipo de grafite conhecido como G347A.
A equipe de pesquisa utilizou uma técnica de análise conhecida como espalhamento de raios X, que utiliza a intensidade espalhada de um feixe de raios X para analisar as propriedades do material. Especificamente, eles observaram a distribuição de tamanhos e áreas de superfície dos poros da amostra, ou o que é conhecido como dimensões fractais do material.
“Quando se observa a intensidade do espalhamento, observa-se uma ampla faixa de porosidade”, diz Fayfar. “O grafite tem porosidade em escalas tão grandes, e temos essa autosimilaridade fractal: os poros em tamanhos muito pequenos se assemelham a poros que abrangem micrômetros, então usamos modelos fractais para relacionar diferentes morfologias em escalas de comprimento.”
Modelos fractais já haviam sido utilizados em amostras de grafite, mas não em amostras irradiadas, para observar como as estruturas dos poros do material mudavam. Os pesquisadores descobriram que, quando o grafite é exposto pela primeira vez à radiação, seus poros são preenchidos à medida que o material se degrada.
“Mas o que foi bastante surpreendente para nós foi a [distribuição do tamanho dos poros] invertida”, diz Fayfar. “Tínhamos esse processo de recuperação que correspondia aos nossos gráficos de volume geral, o que foi bastante estranho. Parece que, depois de tanto tempo irradiado, o grafite começa a se recuperar. É uma espécie de processo de recozimento em que você cria novos poros, que depois se suavizam e ficam ligeiramente maiores. Isso foi uma grande surpresa.”
Os pesquisadores descobriram que a distribuição do tamanho dos poros segue de perto a mudança de volume causada pelos danos da radiação.
“Encontrar uma forte correlação entre a [distribuição do tamanho dos poros] e as variações de volume da grafite é uma descoberta nova e ajuda a conectar a falha do material sob irradiação”, diz Khaykovich. “É importante que as pessoas saibam como as peças de grafite falham quando submetidas a estresse e como a probabilidade de falha muda sob irradiação.”
Da pesquisa aos reatores
Os pesquisadores planejam estudar outros tipos de grafite e explorar mais a fundo como o tamanho dos poros na grafite irradiada se correlaciona com a probabilidade de falha. Eles especulam que uma técnica estatística conhecida como Distribuição de Weibull poderia ser usada para prever o tempo até a falha da grafite. A Distribuição de Weibull já é usada para descrever a probabilidade de falha em cerâmicas e outros materiais porosos, como ligas metálicas.
Khaykovich também especulou que as descobertas poderiam contribuir para nossa compreensão de por que os materiais se densificam e incham sob irradiação.
“Não existe um modelo quantitativo de densificação que leve em conta o que acontece nessas escalas minúsculas no grafite”, diz Khaykovich. “A densificação por irradiação do grafite me lembra areia ou açúcar, onde, quando você tritura pedaços grandes em grãos menores, eles se densificam. No caso do grafite nuclear, a força de trituração é a energia que os nêutrons trazem, fazendo com que os poros grandes sejam preenchidos com pedaços menores e triturados. Mas mais energia e agitação criam ainda mais poros, e assim o grafite incha novamente. Não é uma analogia perfeita, mas acredito que analogias trazem progresso para a compreensão desses materiais.”
Os pesquisadores descrevem o artigo como um passo importante para informar a produção e o uso de grafite em reatores nucleares do futuro.
“O grafite vem sendo estudado há muito tempo, e desenvolvemos muitas intuições sólidas sobre como ele responderá em diferentes ambientes, mas quando se constrói um reator nuclear, os detalhes importam”, diz Khaykovich. “As pessoas querem números. Elas precisam saber o quanto a condutividade térmica mudará, o quanto ocorrerão fissuras e mudanças de volume. Se os componentes estiverem mudando de volume, em algum momento você precisa levar isso em consideração.”
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.
