No momento em que um reator nuclear entra em operação, uma complexa cadeia de eventos é iniciada dentro do combustível: átomos pesados se dividem em produtos de fissão, deslocando outros átomos e criando defeitos que podem alterar a forma como o combustível se expande, transfere calor e reage quimicamente ao longo do tempo. 

Compreender esses processos é fundamental para entender a segurança e a eficiência de um reator nuclear. Mas, mesmo para alguns dos tipos de combustível mais estudados, os mecanismos que controlam esses processos ainda não estão claros.

É o caso de um tipo específico de combustível metálico, a liga de urânio com 10% de zircônio em peso, também conhecida como U-10Zr. Esse combustível foi amplamente testado em reatores rápidos refrigerados a sódio históricos, como o Reator Experimental de Reprodução II (EBR-II) em Idaho e a Instalação de Teste de Fluxo Rápido (FFTF) no estado de Washington, ajudando a estabelecer as bases para o desenvolvimento de combustível metálico nos EUA. Hoje, o U-10Zr está novamente atraindo atenção para uso em reatores avançados de próxima geração.

No entanto, a maioria dos estudos sobre o U-10Zr ocorreu há décadas, deixando questões sem resposta sobre como exatamente o combustível se transforma quando sofre fissão nuclear em um reator e como interage com o revestimento protetor que o envolve.

Agora, em conjunto com o Laboratório Nacional de Idaho (INL), pesquisadores do MIT lideraram um dos estudos tridimensionais mais detalhados já realizados sobre o urânio-10Zr irradiado. Os pesquisadores utilizaram uma técnica conhecida como tomografia computadorizada de raios X de alta energia por sincrotron no Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), em Nova York, para analisar as redes de poros e as alterações químicas que se formaram sob irradiação durante o uso no reator FFTF, fornecendo novos conhecimentos sobre como o material incha, transfere calor e interage com o revestimento do combustível. 

As descobertas podem ajudar a manter alguns reatores nucleares em funcionamento por mais tempo, além de fornecer informações para a próxima geração de sistemas de combustível para reatores nucleares.

“Este estudo nos ajuda a modelar a distribuição de poros no combustível com mais precisão”, diz o autor sênior Ericmoore Jossou, professor de Ciência e Engenharia Nuclear John Clark Hardwick (1986) do MIT. “Ele também nos ajuda a projetar a operação segura de combustíveis metálicos em reatores, proporcionando uma melhor compreensão do papel dos poros e de sua importância.”

Além de Jossou, o artigo conta com a colaboração do primeiro autor e pós-doutorando do MIT, Anthony Harrup; Riley Moeykens '25, SM '25; os pesquisadores do BNL Michael Drakopoulos e Nghia Vo; e os pesquisadores do INL Jana Howard, Colby Jensen e Tiankai Yao.

Uma classe de reatores nucleares conhecida como reatores rápidos refrigerados a sódio gera energia a partir de barras de combustível metálico seladas dentro de tubos metálicos chamados revestimento. Em cada barra, o calor geralmente se move do centro para a borda e, em seguida, para o revestimento, onde o sódio líquido transporta o calor para ser aproveitado e transformado em energia.

“Durante a operação do reator, o contato entre o combustível e o material de revestimento cria interações químicas que podem ser problemáticas”, explica Jossou. “Há uma migração de materiais do combustível para o revestimento, como gases de fissão e elementos de terras raras chamados lantanídeos, que podem reagir com o revestimento, causar fragilização e danificar o sistema de combustível.”

Estudos de combustível previamente irradiado e seu revestimento capturaram principalmente imagens bidimensionais, impedindo os cientistas de observar a escala completa das redes de poros que influenciam a transferência de calor e o transporte de materiais como os lantanídeos. Estudos anteriores também se concentraram principalmente em seções específicas do sistema de combustível, como o núcleo do combustível ou a interface combustível-revestimento.

Para o estudo, os pesquisadores do MIT utilizaram amostras de combustível do reator Fast Flux Testing Facility, um reator de nêutrons rápidos refrigerado a sódio localizado no estado de Washington, que operou de 1982 a 1992.

O Laboratório Nacional de Idaho gerenciou e preparou as amostras. A equipe estudou as amostras preparadas usando tomografia de raios X de alta energia por sincrotron no Laboratório Nacional de Brookhaven. O sincrotron gerou raios X de alta energia que permitiram aos pesquisadores reconstruir as redes de poros internos do combustível em três dimensões, revelando como a porosidade, a composição química e as interações entre o combustível e o revestimento evoluem ao longo do raio do combustível.

Os pesquisadores descobriram que a porosidade aumentava ligeiramente do centro do combustível em direção à borda, mas a densidade de poros aumentava em mais de duas ordens de magnitude na borda do combustível, junto ao revestimento. Os pesquisadores também caracterizaram o tamanho e a forma dos poros, encontrando poros pequenos no centro que se transformam em redes de poros maiores apontando para fora, em direção à borda.

“Os poros são atualmente modelados como esferas; no entanto, na realidade, eles são mais complexos, especialmente quando muitos poros se fundem”, diz Harrup. “Isso é verdade desde o centro até o revestimento. Isso explica por que o revestimento reage da maneira que reage e por que encontramos substâncias químicas do revestimento no combustível.”

As redes de poros próximas à borda permitem a movimentação de produtos de fissão e lantanídeos, mas retardam o transporte de calor, impactando o desempenho e a vida útil do combustível. Os pesquisadores também mapearam suas descobertas microestruturais com mudanças na composição química do combustível em diferentes áreas.

“Com este estudo, realizamos uma análise aprofundada, possibilitada por métodos avançados de imagem computacional, algo inédito, com correlações entre os ambientes químicos locais e a formação de poros”, afirma Harrup. “Descobrimos que o fato de o ambiente ser rico em urânio ou em zircônio influencia a morfologia e os canais dos poros. Isso nunca havia sido relatado antes.”

“A capacidade de visualizar diretamente a conectividade dos poros e a interação do revestimento do combustível em três dimensões nos fornece informações importantes para melhorar o desempenho do combustível metálico avançado para reatores rápidos a sódio”, afirma Tiankai Yao, do INL.

Os resultados experimentais diferiram de alguns modelos sobre como os poros se formam e como o sistema de combustível incha, o que poderia aprimorar as simulações para ajudar a manter os reatores em funcionamento por mais tempo. Eles também fornecem uma visão mais detalhada de como os poros influenciam o desempenho e a segurança do reator.

“Isso ajuda a otimizar o combustível metálico atualmente proposto para reatores rápidos a sódio”, diz Jossou. “Agora, em conjunto com o INL, entendemos melhor como os poros influenciam o desempenho térmico do combustível metálico em reatores. Em altas temperaturas, os poros não são totalmente prejudiciais, pois descobrimos que atuam como caminhos para o sódio metálico líquido fluir através do combustível e manter a condutividade térmica. Poros interconectados também podem servir como canais de liberação para gases de fissão, o que reduz a tensão interna da matriz do combustível.”

Os resultados também poderão ser usados para projetar sistemas de combustível mais eficientes para a próxima geração de reatores rápidos a sódio.

“Este excelente trabalho, desenvolvido pelo grupo do Professor Jossou em colaboração com o INL e o BNL, combinou de forma elegante a força da tomografia de raios X baseada em atenuação com a extração por feixe de íons focalizado, produzindo informações valiosas sobre a distribuição da porosidade 3D em locais específicos do combustível U-10Zr irradiado por nêutrons”, afirma Dong Liu, professor da Universidade de Oxford que não participou deste trabalho. “O que também impressiona é a correlação entre a porosidade 3D e as propriedades térmicas dos combustíveis: a fração volumétrica total não é o único parâmetro importante, a topologia 3D também importa. Isso é extremamente informativo para o estudo de outros tipos de materiais nucleares porosos.”

O trabalho foi financiado pelo Escritório de Energia Nuclear do Departamento de Energia dos EUA e utilizou recursos do BNL e do INL. A preparação das amostras foi realizada no INL, que faz parte das Instalações de Usuários de Ciências Nucleares, por meio de um Prêmio de Resposta Rápida.