| Summary: | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior === O combustível nuclear metálico tipo placa em dispersão é um combustível versátil que pode
ser projetado para ser utilizado tanto em reatores de testes quanto em reatores de potência. A
elevada densidade das ligas metálicas de urânio com elementos de transição, como, Zr, Nb,
Mo, etc, propicia o emprego deste combustível utilizando urânio com baixo teor de
enriquecimento, o que o torna mais seguro no sentido de conter a proliferação nuclear. Além
disso, as excelentes propriedades mecânicas e a grande resistência à corrosão das ligas
metálicas de U-Zr-Nb, tornam a escolha desta liga na forma de combustível tipo placa em um
desenvolvimento de grande atratividade devido às possibilidades de se alcançar um
combustível de alto desempenho.
Neste trabalho foram investigadas as transformações de fases das ligas U-2,5Zr-7,5Nb e U-
3Zr-9Nb em diferentes condições de tratamentos térmicos, bem como foi desenvolvido o
processo de cominuição destas ligas pelo processo de hidretação-desidretação.
As transformações de fases foram obtidas realizando-se a homogeneização das ligas de U-
2,5Zr-7,5Nb e U-3Zr-9Nb em elevadas temperaturas (1000 oC, durante 1 e 16 h), seguido de
têmpera em água, bem como de envelhecimento a 600 oC em diferentes tempos (0,5, 3 e 24h),
também, seguido de têmpera em água. As fases obtidas foram caracterizadas por intermédio
das técnicas de difração de raios X, microdureza, microscopia ótica, microscopia eletrônica e
EDS. Nestas condições experimentais, foram obtidas duas microestruturas distintas. Uma
microestrutura monofásica constituída da fase gama () martensítica de cristalinidade cúbica
de corpo centrado. A outra com estrutura do tipo lamelar perlítica, constituída da mistura das
fases alfa e gama (α e ). A fase α tem cristalinidade ortorrômbica. Diferentemente da fase
gama martensítica de alta estabilidade mecânica e elevada resistência à corrosão, a estrutura
do tipo perlita não possui boas propriedades mecânicas e é pouco resistente à corrosão.
Os resultados da microdureza revelaram uma boa correlação entre dureza e a estrutura
cristalina da amostra. Observou-se que as ligas tratadas isotermicamente até 3 horas, as quais
são constituídas predominantemente pela fase  cúbica, apresentaram baixos valores de
dureza. Por outro lado, essas ligas tratadas isotermicamente por 24 horas transformaram-se majoritariamente em fase α com estrutura ortorrômbica e elevados valores de dureza. Isso
mostra que a estrutura do tipo perlita é mais dura do que a fase .
Os pós das ligas dúcteis de U-2,5Zr-7,5Nb e U-3Zr-9Nb foram obtidos pela cominuição das
mesmas com uso do hidrogênio. A cominuição realizada pelo processo de hidretaçãodesidretação
foi feita na temperatura de cerca de 200 oC, em diferentes tempos variando entre
20 minutos a 4 horas. Os pós assim obtidos foram caracterizados por intermédio de
microscopia ótica, difração de raios X e determinação da distribuição do tamanho de
partículas por meio do equipamento a laser CILAS. O processamento utilizado permitiu a
obtenção de pós com duas classes de tamanhos dependendo do tipo de tratamento. Os pós de
ambas as ligas envelhecidos a 600 oC durante 0,5 e 3 horas apresentaram pós com
granulometria de 180 a 200 m e, por outro lado, os pós de ambas as ligas envelhecidas a 600
oC durante 24 horas apresentaram pós com granulometria superior a 220 m.
Os pós de ambas as ligas homogeneizados a 1000 oC e envelhecidos até 3 horas a 600 oC com
granulometria na faixa de 180 a 200 μm são adequados para serem utilizados na dispersão do
cerne para a obtenção de combustível tipo placa para uso em reatores de teste e de potência de
pequeno e médio portes. === Plate-type dispersion metallic nuclear fuel is a versatile fuel that can be designed to be used in
both test and power reactors. The high density of uranium alloys with transition elements,
such as Zr, Nb, Mo, etc, allows the use of this fuel with low uranium enrichment, which
makes it safer in order to prevent nuclear proliferation. Furthermore, the excellent mechanical
properties and high corrosion resistance of U-Zr-Nb metallic alloys makes the choice of this
alloy as plate type fuel in a development of great attractiveness due to the possibilities of
achieving a high performance fuel.
In this study, it was investigated the phase transformations of the U-2.5Zr-7.5Nb and U-3Zr-
9Nb in distinct heat treatments, as well as it was developed the process of comminution of
these alloys by the hydriding-dehydriging process.
The phase transitions were obtained by performing the homogenization of the U-2.5Zr-7.5Nb
and U-3Zr-9Nb alloys at high temperatures (1000 oC for 1 and 16 h) followed by water
quenching, as well as by aging at 600 oC at different times (0.5, 3 and 24 h). The obtained
phase transitions were characterized through the X-ray diffraction, micro hardness, optical
microscopy, electron microscopy and EDS techniques. Under these experimental conditions,
it was obtained two different microstructures. A single phase microstructure consisting of the
martensitic  phase of body centered cubic crystallinity. The other one with the lamellar
pearlite type structure, consisting on a mixture of α and  phases. The α phase has
orthorhombic structure. Unlike of the high stability and good corrosion resistance martensitic
structure, the two phases pearlite type structure has poor mechanical properties and low
corrosion resistance.
The results of microhardness have revealed a good correlation between hardness and crystal
structure of the sample. It was observed that alloys isothermally treated up to three hours,
which are predominantly the  cubic phase showed lower hardness values. Moreover, these
alloys isothermally treated for 24 hours were processed mostly in α-phase with orthorhombic
structure and high hardness values. This shows that the pearlite type structure is harder than
the  phase. The powders from ductile U-2.5Zr-7.5Nb and U-3Zr-9Nb alloys were obtained by hydrogen
comminution. The comminution process carried out by hydriding-dehydriding was performed
at a temperature of about 200 oC, at different times ranging from 20 minutes to 4 hours
according to the composition and phase of each alloy. The obtained powders were
characterized by optical and electronic microscopy, X-ray diffraction and determination of
particle size distribution by means of laser CILAS equipment. The utilized process allowed
the production of powders with two particle size classes depending on the type of treatment.
The powders of both alloys aged at 600 oC for 0.5 and 3 hours presented powders with
particle sizes of about 180-200 μm, on the other hand, powders of both alloys aged at 600 oC
for 24 hours presented powders with particle sizes greater than about 220 μm.
The powders of both alloys homogenized at 1000 oC and aged up to 3 hours at 600 oC with
particle size in the range from 180 to 200 μm are suitable for use in the dispersion of the fuel
core to be utilized in test and power of small and medium sizes reactors.
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