Avaliação dos parâmetros de produção para otimização microestrutural de pastilhas de dióxido de urânio (UO2)

Abstract

O controle da porosidade e do tamanho de grão é necessário para melhorar o desempenho de pastilhas combustíveis, especificamente na capacidade de reter produtos de fissão. Com o objetivo de otimizar a microestrutura de combustível sem o uso de aditivos de sinterização, pastilhas de UO2 foram sinterizadas por 3 h e 4 h a 1500 ºC, 1600 ºC e 1700 ºC.. Não foram observadas variações significativas na porosidade. O maior tamanho de grão médio medido é observado na faixa de 1700 ºC por 4 h, estabelecendo essa condição como ótima. Tal condição foi empregada em pastilhas com razão O/U 2,15 e 2,26 e também em pastilhas oriundas de misturas de UO2 com pós de U3O8 obtidos pela oxidação do UO2 a 400ºC (U3O8 verde) e a 1300ºC (U3O8 queimado) ao ar. A finalidade é avaliar o efeito destas condições no desenvolvimento da microestrutura no processo de sinterização. A adição de U3O8 na proporção de 10% não resultou em incrementos no tamanho de grão. Essa observação foi aplicável tanto ao U3O8 verde quanto ao U3O8 queimado. Apesar da diferença significativa de superfície específica dos dois pós, essa diferença não se influiu no tamanho final dos grãos. Em ambas as misturas, foram obtidos tamanho médio de grão e distribuição de tamanhos de grão compatíveis. Os resultados indicam que a estequiometria afetou o desenvolvimento da microestrutura, promovendo o crescimento dos grãos mesmo em atmosfera redutora. Uma relação O/U de 2,26 resultou em um tamanho médio de grão de 12,4 μm, enquanto uma relação O/U de 2,15, levou a 8,0 μm. Portanto, a sinterização de UO2 com uma relação O/U de 2,26, possivelmente devido à disposição homogênea do U3O8 em sua estrutura e à hiperestequiometria, resultou no resultado experimental mais promissor obtido neste trabalho. O tamanho de grão alcançado foi superior ao valor mínimo aceitável em termos industriais para pastilhas de UO2 pura, sem a utilização de aditivos de sinterização.