4 2 2
ESTUDO PRELIMINAR DE LIGAS DE URfiNIO
F r a n c i s c o Ambrõzio Filho(CMN - IPEN) C a r i e s c3e Moura Neto(IEAv - CEA)
I - INTRODUÇÃO
Os conbiistlveis metálicos apresentam urna s é r i e de vantagens, t a i s co mo: tecnologia de fabricação relativãmente siniples e avançada, a l t a s densida des atômica e f í s s e l , a l t a condutividade térmica, a l t a expansão térmica e a possibilidade ds se alcançar a l t a razHo de regeneração("breeding r a t i o " ) .
Muito embora os combustíveis netSlicos apresentem desvantagens como problemas de inchamanto rresmo em regime de queima itédia e uma temperatura de fusão r e l a t i vãmente baixa, e s t a s desvantagens podem s e r minimizadas pelo e s t a beleclmsnto de uma fina dispersão de uma segunda f a s e , pelo emprego de um encamisamento r e s i s t e n t e , combinado com v a z i o d e n t r o d o mssmo, e p e l o emprego de l i g a s m e t á l i c a s com m a i o r e s t e m p e r a t u r a s d e f u s ã o . N e s t e ú l t i m o ponto é que se baseia a presente linha de pesquisa.
2 - CARACTERÍSTICAS GERAIS DO URÂNIO
O urânio natural comporta três isótopos: U-238(99,28%),U-235(0,71%) e U-234(0,'005%), e uma densidade teórica de 19,07g/cm3 a 259C.
No estado sólido, o urânio apresenta três variedades alotrõpicas, es tãveis em determinados intervalos de temperatura:
- fase alfa(a) , ortorômbica, ao redor de 6659C(19,12g/cm3) mole e d ú t i l .
- fase beta(3), tetragonal compacta entre 6659 e7709C(18,llg/cm3),du ra e frágil.
ÍW - fase gama(y) / cúbica de corpo centrado, e n t r e 7709ell35<?C(18,06g/6n3) muito mole.
As suas propriedades mecânicas à temperatura ambiente não são p a r t i culannente i n t e r e s s a n t e s ou a t r a t i v a s do ponto de v i s t a e s t r u t u r a l . Entre t a n t o , como o urânio apresenta variações a l o t r õ p i c a s para um i n t e r v a l o de temperaturas relativamente grande, é p o s s í v e l que e s t a s variações possam ofe r e c e r alguma possibilidade da l i g a , tendo era v i s t a o b t e r - s e uma s e n s í v e l melhoria nas suas propriedades mecânicas.
3 - AS LIGAS DE URÂNIO
A adição de elementos de liga no urânio tem por finalidade aumentar suas propriedades mecânicas, melhorar a instabilidade dimensional e a
424
resistência ã corrosão. Para tanto, os elementos de liga podem ser grupados em três grupos. 0 primeiro grupo consiste dos elementos de baixa miscibilida de e que formam compostos intermatãlicos com o urânio: Al, Be, Bi, Co, Cu, Ga, Au, Fe, Pb, Mn, Hg, Ni, Si, Sn, Pd, Os, Ir, e Zn. O segundo grupo Inclui ele mentes com muito pequena ou com alguma miscibilidade terminal, e que não formam conpostos com urânio: Mg, Ca, Ag, Na, li, W, Ta, Th, Cr, e Va.
Finalmente, o terceiro grupo ê constituído por elementos que não formam compostos intermediários reais, mas que formam soluções sólidas extensi vas com o urânio: Nb, Hf, Zr, Ma, Ti, e Re. Destes elementos do terceiro gru po destacam-se o niôbio e o zircõnio, por suas baixas seções de choque.
Esta investigação do sistema U-Nb foi levada a efeito dentro de um programa geral de se estudar ligas de urânio, que satisfizessem as caracterís ticas já mencionadas.
I
4 - LIGAS URÂNIO - NIÕBIO
4.1 DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO URÂNIO - NT.0BIO
O diagrama de equilíbrio é apresentado na Figura 1:
- a linha "liquidus" apresenta-se sob a forma de uma curva que se abaixa de 24159C(temperatura de fusão do niôbio) até 11359C(temperatura de fu são do urânio).
- a linha "solidus" afasta-se fortemente da linha "liquidus" entre 40 e 85%(atômico) em nióbio.
- abaixo da linha "solidus" situa-se um campo monofásico constituído de uma solução solida y cristalizando-se no sistema cúbico centrado. A se paração da fase y (yj_ rica em urânio e y2rica em niõbio) implica na presença de uma linha de imiscibilidade.
- uma reação peritetóide (3 + y-»ct a 6609C. A solubilidade máxima do niôbio no urânio 3 atinge 1,7%(atômico) a 7209C.
- uma reação eutetõide Yi ^? a + Y2 a 6509C para um teor niõbio de 13,3% (atômico)
4.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
4.2.1 OBTENÇÃO DOS LINGOTES PS U -Nb
O urânio iretãlico empregado foi obtido através da redução do UF4 -pelo magnésio, numa reação que se processa a cerca de 13509C, conduzida em
I
bomba netálica capaz da r e s i s t i r elevadas pressões de vapor. O urânio assim obtido está contaminado pelo magnésio, sendo necessário realizar- se uma operação de refino, para separação da escoria aderida, para eliminação do excesso de magnésio e conseqüente obtenção do urânio rretãlico de pu reza nuclear. As Figuras 2 e3 mostram aspectos da redução do urânio.
O refino do urânio foi realizado cm forno elétrico Wild-Barfield, ira delo National Research Corporation, de 2 kVA sob vácuo de 10~5nim de nercú rio. A carga foi fundida em cadinho ds alumina aquecido por elementos de resistência de tungstênio. 0 circuito de vácuo é constituído por Ixraba mecânica leybold, modelo D-12 e por bomba de difusão, modelo H-4P de 500 W. Neste forno a lingoteria pode ser inclinada durante a operação de vazamento, por meio de acionamento apropriado, o qua permite d i r i g i r o j a to da rretal para dentro da lingoteria de cobre.
Para a obtenção da liga U-Nb, foram selecionadas t r ê s conposiçõss era peso de niõbio: 2,5%, 5,0%, e 7,5%. A fusão deu-se por dissolução do niõbio no urânio, em virtude da grande diferença entre os pontos de fusão dos dois materiais. Foi empregada lingotsria de cobre.
As Figuras 4 e 5 mostram os lingotes obtidos.
0 niõbio foi fornecido pela Fundação de Tecnologia Industrial, na forma de põ, com granulonwtria manor que 200 nesh. O põ foi compactado na forma de briquetes para se proceder ã sua fusão junto com o urânio. A sua análise química é apresentada na Tabela 1, abaixo.
ELEMENTO Ta 0 H C TEOR(ppm) 200 2200 ~ 1 0 70 EIEMENTO C Fe Co A l TEOR(ppm) a 8 0 8 < 4 40
Tabela 1: Análise do niobio empregado (procedência: Fundação de Tecnologia Industrial - L0RENA - SP).
A pressão de trabalho, para a obtenção das ligas, variou de 10 de mercúrio.
r-4
426
4.2.2. ANALISE DOS LINGOTES DE U-Nb
Oâ lingotes obtidos foram submetidos a análise espectrogrãfica quan titativa. A Figura 6 apresenta os valores obtidos para cada um dos três lingotes, nas regiões de onde foram retiradas as amostras para a análise. Pcde-se verificar a porcentagem e m niõbio em cada uma das regiões analisadas.
Foi também realizada uma análise qualitativa por microsonda eletrô nica.
5 - CONCLUSÕES
A pesquisa apresentada é uma avaliação preliminar para se adquirir competência no trabalho com urânio e suas ligas. Durante as experiências réa lizadas verifioou-se da necessidades de um programa intensivo e metódico n o processamento de ligas de urânio, a fim de serem entendidos e minimizados problemas e dificuldades ocorridos durante o desenvolvimento das mesmas, entre eles:
1) controle das variáveis envolvidas no rendimento de redução do UF4 pelo magnêsio, nas bombas de redução.
2) interação cadinho-metal durante a-fusão da liga, de maneira'a se evitar a dissolução do cadinho pelo matai, durante a operação.
3) controle das variáveis(tempo e temperatura) do banho.
4) controle na operação de vazamento do metal, a fim de se evitar reação metal/( lingoteria e a formação de vazios, rexupos e porosidade no lingote fundido.
Os lingotes obtidos apresentaram alguns defeitos em virtude de não se dominar perfeitamente ainda as técnicas de fundição. Entretanto, o método de fundição em forno a vácuo mostrou-se adequado ãs ligas urânio-niôbio.
Não se conseguiu realizar micrografia das ligas obtidas, pois o reagente empregado(50% ácido nítricô + 5 0 % ácido acético glacial, quantidades em volume) mascarou completamente as amostras.
A s observações micrográficas foram realizadas sem ataque, apenas oxi dando as amostras e m forno tipo mufla a 1009C, durante 1 hora. Ficou eviden ciada a existência de segregações nas ligas, o que concorda com a literatura existente(Referência6), e com os ensaios em microsonda eletrônica.
Entretanto,verificou-se o aparecimento de uma terceira fase que se supõe ter vindo do cadinho de alumina, o qual se dissolveu na liga, durante
a fundição.
As e>:periências terão prosseguimento partindo-se para:
1) estudo da interação cadinho-matal tendo em vista a verificação de possíveis recobrinontos que possam ser feitos no cadiiiho para eliminar ou diminuir
nun dissolução na liga.
2) realização de tratamentos térnãcos e mecânicos para se estudar o comporta-mento das ligas estudadas.
3) estudo de outras ligas(U-Zr, U-Ms, U-Zr-Nb).
6 - REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Roussotte,G. - "Contribution a 1'étude d'un alliage industriei d1 urani
um-niobium a 6% en poids de niobium", Centre d'Etudas de Valduc, Rapport CEA - R -5070(1981).
2) Hemperly,V.C. - "Characterization of the uranium - 2,25 weight percent niobium alloy", Y - 1998 - Oak Ridge Y - 12 Plant, Oct. 1975.
3) Jackson,R.J. - Lucas,R.L; Calabra, A.E - "Macrosxamination of uranium alloys" - in Microstructural Science(Vol.I) - Gray,R.J(Ed) (1974) 4) Banker,J.G. - "Melting and casting of high quality uranium and uranium
alloy ingots", Y -DA -6563- AMMRC Conference(Charlottesville,VA), May 24-27(1976)
5) Rough,F.A e Bauer, A.A. - "Constitutional diagrams of uranium and tho rium alloys", Reading, MASS. - Addison-Kesley Pub. Co.(1958) .
6) Jackson,R.J. - "Metal3.ograpliyc .study of segregation in uranium-bass nio bium alloys", Metallography, 6_f 347-359(1973).
4 2 8 Nióbio % em peso 5 10 20 30 40 60 80 Nióbio % em peso 2000 IOOO J 3 -5 0 0 L é ' y
1
y
•y / ^ -Y,+Y2 ! 1 \ \ \ \ \ / 1300 1200 ü o o !_ a> o. e a> 1100 8 0 0 6 0 0 20 4 0 60 80 Nidbio % atômica 100 0 6 12 18 Nióbio % atômica Figura l: D i a g r a m a de e q u i l í b r i o U - N b^
Fig. 2: Operação de enchimento da barba da redução.
\--~- • - —
430
P"
WíOBÍO URÂNIO NiODIO URÂNIO NIOBIO 7 , 5 %Fig. 4: Lingotes U-Nb obtidos por fvmdLção em forno âs indução ã vácuo f.
$$$m&
" = • ' • » lURÂNIO Ü:
N10BIO
fJ
2
s °/
Fig. 5: Lingote U-2,5% Mb(observe os defeitos devido à fundição.
•
9
MS-meio superior SL - superior lateral ML—médio lateral MM- meio médio IM-inferior melo IL-inferior lateral MS-I SL-Io o
3,3 3,4 M L , ^o o
3
-'
3.1 MM-I 1M-I IL-IO-O
Lingote n- 1 2,5% NbO O
c o 6 4 5,8 "»•» ML-25,3
O O
MM-2 5i6 IL-2 Õ R1 5,5 Lingote n-2 5,0% NbFigura 6 : Lingotes U-Nb (análise quantitativa)
MS-3
