os sistemas de reatores rápidos de nêutrons têm o potencial de extrair 60 vezes mais energia do urânio do que os reatores térmicos existentes, e eles contribuem para uma redução significativa na carga de resíduos radioativos. Ultimamente, têm sido feitos grandes progressos em muitos países que estão a desenvolver activamente os reactores e as tecnologias relacionadas com o ciclo do combustível.
It was a liquid metal-cooled fast-neutron reactor that illuminated-with the flash of four lightbulbs-the possibility that our world could be powered by nuclear energy. Mas apesar daquele momento pioneiro em Dezembro. 20, 1951, at Argonne National Laboratory’s Experimental Breeder Reactor I (EBR I) in Idaho, spawned incontáveis avanços que expandiram exponencialmente o reino da tecnologia de energia nuclear, reatores de neutrões rápidos têm permanecido comercialmente evasivos.
1. O reator Reprodutor Experimental I (EBR I) inaugurou uma nova era quando se tornou o primeiro reator a gerar quantidades usáveis de eletricidade a partir de energia nuclear. Conseguiu este feito em Dezembro. 20, 1951, acendendo quatro lâmpadas. No dia seguinte, a produção da EBR I foi impulsionada, e a partir desse ponto até sua desativação em 1964, a EBR I muitas vezes gerou toda a eletricidade necessária para alimentar seu edifício. Fonte: Laboratório Nacional de Argonne
nas décadas que se seguiram ao avanço de Argonne( Figura 1), o conceito de que um reator nuclear poderia “gerar” mais combustível do que ele consumido rapidamente tornou-se um assunto principal da pesquisa nacional adotada por um punhado de outros países, incluindo a União Soviética, Reino Unido, França, Alemanha, Japão e Índia. No entanto, até à data, apenas cerca de 20 reatores rápidos têm funcionado, alguns desde a década de 1950, e apenas um tem operado em uma capacidade comercial—a França 1.250 MWe protótipo comercial Superphenix, que decorreu de 1985 a 1998, quando foi fechado por motivos políticos.Mais recentemente, porém, devido aos avanços técnicos e à crescente experiência operacional, o interesse pela tecnologia de reatores rápidos parece ter sido novamente despertado. No final de 2016, A Rússia colocou on-line O BN-800 em sua usina nuclear de Beloyarsk (um vencedor da Usina de topo em novembro de 2016), um projeto amplamente considerado o “mais poderoso reator de reprodução rápida do mundo.”Pelo menos 16 outros projetos de reatores rápidos estão se aproximando da implantação liderados pelos EUA, França, Bélgica, Romênia, Rússia, China, Coréia do Sul, Índia e Japão. Dois destes projectos-o BN-1200 da Rússia e o CDFBR-1200 da China—poderão ser projectos comerciais quando estiverem em linha até 2030.Entretanto, o mundo está hoje a debater-se com preocupações com os resíduos nucleares com maior urgência que nunca antes; após anos de agitação política, poucos progressos foram feitos no armazenamento e eliminação do combustível usado. Argonne prevê: “embora existam atualmente muito poucos operacionais, eles finalmente se mostrarão vitais para estender o fornecimento de energia de urânio e tório do mundo para dezenas de milhares de anos e para remover a radiotoxicidade de longa duração do combustível nuclear usado.”
Reactores Rápidos: Uma raça diferente
como Argonne explica, quando um átomo em um reator nuclear “fissões” —ou se divide em vários fragmentos menores-neutrões são liberados em alta energia (velocidades rápidas). Em reatores térmicos, que compreendem a maior parte da frota de energia nuclear do mundo, os nêutrons de fissão são retardados para baixas energias (térmicas) por colisões com átomos leves dentro do reator—hidrogênio na água em reatores refrigerados a água, deutério em água pesada em reatores refrigerados a água pesada, ou carbono na grafite em reatores refrigerados a gás. A maioria dos nêutrons nesses reatores desaceleram para baixas velocidades antes que eles tenham a chance de causar fissões subsequentes, colidindo com núcleos físseis—que geralmente é urânio-235 (U-235).
“em um reator rápido, no entanto, os nêutrons de fissão não são retardados e, em vez disso, causam fissões por colidirem com núcleos físseis em alta energia”, disse o laboratório. “Isso é importante porque mais nêutrons são liberados de fissões causadas por nêutrons de alta energia do que de fissões causadas por nêutrons térmicos.”Embora cada reação de fissão em um reator destrua um átomo físsil, átomos físseis também podem ser criados quando um nêutron é capturado em uma reação com um átomo fértil, geralmente U-238.”
Essentially, the lab explains, in a fast breeder reactor, extra U-238 is added so that more fissile atoms are created than are destroyed by fission. “Isto significa que essencialmente todo o minério de urânio original (que é 99,3% U-238 e 0,7% U-235) pode ser usado como combustível de reator em um reator reprodutor rápido. Em contraste, apenas cerca de 1% do urânio original é consumido em um reator térmico.”O efeito, observou, É que um reator rápido poderia estender os recursos de urânio do mundo por um fator de cerca de 60.
um segundo benefício, mais significativo, é que reatores rápidos “podem destruir, por fissão, os materiais (plutônio, amerício, cúrio, etc.) que utilizam combustível nuclear radioativo por mais de centenas de anos”, disse Argonne. “Estes elementos fissão bastante bem quando colidem com nêutrons rápidos, enquanto que fissão muito menos ou nada quando colidem com nêutrons térmicos. Assim, estes materiais funcionam como combustível em reactores rápidos, em vez de funcionarem como resíduos, como funcionam em reactores térmicos. Esta característica dos reatores rápidos torna o problema de eliminação de combustível usado muito mais simples, usando as partes de meia-vida mais longas do lixo como um recurso energético.”
a ampla gama de tecnologias em desenvolvimento
de acordo com a Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), o potencial impulso que os sistemas de reatores rápidos operando em um ciclo totalmente fechado oferecem à eficiência de combustível nuclear e gestão de resíduos—e suas implicações para a sustentabilidade—é amplamente reconhecido, e o desenvolvimento ativo continua em muitos países em tecnologias de reatores, refrigeração, combustível e ciclo de combustível. Em uma conferência de junho de 2017 que a agência sediou para a comunidade do ciclo de combustível rápido do mundo na Rússia (cujos trabalhos foram divulgados em dezembro passado), uma vasta gama de projetos de demonstração, que vão de pequena a grande escala, foram relatados como estando em estudo, projeto e construção.Como Subhash Chandra Chetal, ex-chefe do Indira Gandhi Centre for Atomic Research da Índia, disse aos participantes em seu discurso de abertura, a variedade de pesquisas é vertiginosa. “A comunidade de reatores rápidos está bem ciente de que não há um refrigerante perfeito para reatores rápidos e a escolha é deliberada de vez em quando, tanto dentro dos países individuais como em fóruns internacionais.”O Fórum Internacional de Geração IV (GIF), uma associação fundada em 2000 para avançar a energia nuclear em sua quarta geração, hoje tem 14 países membros e destilou quase 100 conceitos existentes em quatro categorias de espectro de neutrões rápidos que diz oferecer “a mais promissora.”
2. Pivot para o programa “PRORYV”—ou “Breakthrough”—da Rússia foi a construção de um reator rápido BN-800 projetado pelo braço de engenharia nuclear da Rosatom OKBM Afrikantov, que finalmente começou como a quarta unidade em Beloyarsk em 2006. A unidade começou a operar em dezembro de 2016. Cortesia: Rosatom
reator rápido Refrigerado A sódio (SFR) Com ciclo de combustível fechado. O mais maduro de todos os conceitos, 20 protótipos SFR ou demonstrações foram construídos em todo o mundo, que forneceram mais de 400 reator-anos de operação. Exemplos incluem BN-800 em Beloyarsk 4 (Figura 2) na Rússia, Fbtr da Índia, Superphenix da França, e EBR I e II nos EUA uma série de empresas privadas, como GE Hitachi e TerraPower, também mostraram interesse em SFR.
” uma experiência operacional muito valiosa foi acumulada a partir dos reatores rápidos operacionais como um feedback para o Projeto futuro em termos de valor de retenção e descartação para projetos futuros em termos de materiais, opções de design e Tecnologia de sódio”, observou Chetal. Testes recentes de mistura de óxido de metal e carbeto de combustível têm mostrado “excelentes resultados”, e queima de combustível tem sido aumentado sistematicamente com a melhoria dos materiais estruturais do núcleo. Enquanto isso, ” as causas de vazamentos de sódio em diferentes reatores devido à inadequação do projeto em Detalhamento do projeto, deficiência de fabricação, materiais de construção e listras térmicas são bastante bem compreendidas e estão sendo incorporadas em projetos futuros.”No entanto,” uma séria preocupação ainda é sentida em alguns países sobre vazamentos de sódio, e tubagem de parede dupla em circuitos secundários é selecionada para evitar o fogo de sódio por alguns designers”, disse ele.
Reactor rápido Arrefecido a Chumbo (LFR) Com ciclo de combustível fechado. LFRs são refrigerados por chumbo fundido (ou ligas à base de chumbo), que não oferece reações rápidas com água e ar como com SFRs. LFRs operam a alta temperatura e a pressão atmosférica próxima, condições possibilitadas por causa do ponto de ebulição muito alto do refrigerante (até 1743C) e sua baixa pressão de vapor. O refrigerante é chumbo puro ou uma liga de chumbo, mais comumente a mistura eutética de chumbo e bismuto, também conhecido como LBE. Exemplos incluem o reactor Europeu de grande potência de 600 MW, e o BREST-300 da Rússia, e um micro-Reactor, SSTAR, que possui uma longa vida útil no núcleo. Empresas privadas como Westinghouse, Hydromine, ou LeadCold, também desenvolveram projetos básicos de LFR.
Reactor rápido Arrefecido a gás (TFG) Com ciclo de combustível fechado. GFRs, que são resfriados por hélio, são propostas como uma alternativa a longo prazo para SFRs. O GIF destacou as características atrativas do sistema nuclear inovador. Ele usa” um refrigerante de fase única que é quimicamente inerte, que não dissocia ou se torna ativado, é transparente e, enquanto o coeficiente de vácuo refrigerante ainda é positivo, é pequeno e dominado pelo feedback Doppler”, disse. Enquanto isso, o núcleo do reator tem uma densidade de energia relativamente alta, e oferece uma melhor inspeção e manipulação simplificada do refrigerante. Suas altas temperaturas de saída do núcleo estão acima de 750F, mas isso” coloca demandas onerosas sobre a capacidade do combustível para operar continuamente com a alta densidade de energia necessária para uma boa economia de nêutrons em um núcleo de reator rápido”, disse, uma desvantagem que vai exigir combustível robusto e necessidades estruturais. Entre os sistemas privados de GFR está o projecto geral Atomics ‘ EM 2. Ainda assim, de acordo com o GIF, O conceito de TFG ainda está na fase de viabilidade e muitos não entram na fase de desempenho antes de 2022.
Reactor de sal fundido (MSR) com conceitos de neutrões térmicos e rápidos com ciclo de combustível fechado. Um conceito desenvolvido na década de 1950, o conceito usa sal fundido tanto como combustível e refrigerante, e grafite como moderador. De acordo com o GIF, estes tipos de reatores de combustível líquido têm vantagens fundamentais sobre sistemas de combustível sólido. Estes incluem: “a possibilidade de adaptação da composição do combustível (fértil/cindível) e reprocessamento do combustível sem desligar o reator; a possibilidade de superar as dificuldades de fabricação/re-fabricação de combustível sólido com grandes quantidades de elementos transuranianos (TRUs); o potencial para uma melhor utilização dos recursos através da obtenção de elevadas queimadas de combustível (com as Us TR restantes no combustível líquido para serem submetidas a fissão ou transmutação para um elemento cindível).”Os MSRs de espectro rápido oferecem o melhor de reator rápido e tecnologias de sal fundido, incluindo a utilização de recursos estendidos e minimização de resíduos, bem como baixa pressão, alta temperatura de ebulição e transparência óptica, disse.
exemplos incluem o Msfr 1,400 MWe desenvolvido pela França dentro do projeto SMOFAR, que tem um ciclo de combustível de tório, e o projeto Mosart de 1.000 MWe da Rússia. A China está também a investigar um reactor de alta temperatura arrefecido com sal de fluoreto e um reactor térmico de sal de fluoreto de tório fundido. O setor privado, entretanto, lançou vários projetos em todo o mundo. Entre as empresas de destaque estão TerraPower, Thorcon, energia terrestre, energia Flibe, energia Transatômica, indústrias Elysium, Alpha Tech Research Corp., e Kairos Power.
GIF também observou, no entanto, que os desafios de pesquisa e desenvolvimento são numerosos. “Para a opção combustível líquido com ciclo de combustível fechado, estão a lidar com as propriedades Salinas (propriedades físicas, químicas e termodinâmicas) e a solubilidade dos actinídeos e produtos de cisão no Sal; concepção do sistema e análise de segurança (incluindo o desenvolvimento de modelos avançados de acoplamento neutrónico e térmico-hidráulico); desenvolvimento de materiais avançados( incluindo estudos sobre a sua compatibilidade com sais fundidos e comportamento sob fluxos de neutrões elevados a alta temperatura); prevenção da corrosão e da libertação de trítio com base no controlo adequado do Redox do sal fundido; desenvolvimento de técnicas eficientes de extracção de produtos de fissão gasosa a partir do sal de combustível por borbulhagem de hélio; fluxograma de processamento de sal de combustível (incluindo ensaios de extracção redutivos para separação actinídeo/lantanídeo); e desenvolvimento de uma abordagem de segurança (e resistência à proliferação) dedicada a reactores de combustível líquido.”O conceito ainda está em uma fase de Viabilidade ou viabilidade, e a fase de desempenho não pode começar até 2025, observou.Enquanto o processo mostrou otimismo geral sobre o futuro dos reatores rápidos, vários oradores reconheceram desafios que poderiam prejudicar o progresso dos reatores rápidos. A AIEA disse, por exemplo, “Para alcançar o pleno potencial de neutrões rápidos reatores, atingindo um real avanço na utilização da energia nuclear, a investigação e desenvolvimento tecnológico terá que demonstrar o cumprimento dos critérios modernos de competitividade económica, rigorosos de segurança e os requisitos de segurança, de desenvolvimento sustentável, resistência à proliferação e a aceitação do público.”
de acordo com Chetal, a busca por uma melhor economia é prejudicada por uma escassez de informação, porque apenas SFRs têm sido construídos até agora para fins de demonstração e comerciais. “A viabilidade tecnológica do SFRs tem sido bem demonstrada em reatores experimentais e de demonstração. No entanto, a competitividade econômica do SFR ainda não foi bem provada”, observou. “O custo mais elevado de SFRs observado em comparação com impediu o seu crescimento. A comparação econômica de SFR versus LWR tem fortes ligações com o custo do urânio, o que atualmente coloca pressão sobre SFR para procurar maneiras e meios de melhorar o custo de capital, o tempo de construção e o Fator de capacidade”, disse ele.
melhorias substanciais já podem ter sido feitas para alguns projetos de reatores rápidos russos, sugeriu E. O. Adamov, um especialista com o projeto PRORYV da Rosatom. O projeto federal tem, desde 2012, procurado criar uma base tecnológica para o uso de reatores rápidos em larga escala usando o conhecimento obtido com a operação do BN-800 em Beloyarsk 4. Até à data, verificou-se que o BN-600, um reactor rápido construído em 1981 (Beloyarsk 3), é economicamente comparável à tecnologia VVER russa, se for possível aumentá-la. Adamov disse que a Rússia está agora a tentar provar que o BN-1200 que está em desenvolvimento—e difere significativamente dos modelos BN anteriores—pode competir com “as melhores centrais nucleares em neutrões térmicos.”A comparison between the levelized cost of energy for fast reactors and combined cycle gas turbine (CCGT) power plants under Russian conditions have yellowed key insights, he noted. Uma delas é que as centrais nucleares com reatores térmicos com ciclo de combustível aberto ” não podem garantir um desenvolvimento competitivo mais eficiente.”Se os requisitos de desempenho estabelecidos para as instalações BN-1200 são alcançados, no entanto, reatores rápidos poderiam facilmente competir do que as CCGTs, e até mesmo fontes renováveis, disse ele.A Índia, que está a encomendar um protótipo de reactor rápido de 500 MW (PFBR) em Kalpakkam, em Tamil Nadu, reconheceu entretanto que o custo das instalações de reprocessamento será importante para o futuro dos reactores rápidos. A” avaliação Indiana mostra que é prudente co-localizar a instalação de ciclo de combustível do reator rápido para reprocessamento e refabricação no mesmo local que o reator e deve ser projetado para vários reatores”, disse Chetal. “À luz disso, uma instalação de ciclo de combustível de reatores rápidos está em construção no local de PFBR para reprocessar e refabricar os elementos de combustível para PFBR e mais dois reatores MOX de 600 MW cada.”
outros reactores rápidos com barreiras que retardam reactores rápidos
os reactores rápidos de primeira categoria também enfrentam o pesado desafio de obter um licenciamento atempado. Como vários oradores na conferência da AIEA observaram, poucos especialistas em ambientes regulatórios são bem versados em desafios de reatores rápidos. A falta de conhecimentos técnicos necessários para fabricar componentes para instalações de reatores rápidos, bem como para construir, comissionar, operar, manter e desativá-los é igualmente crítica.É igualmente crucial abordar as questões de segurança relacionadas com a vasta gama de sistemas em desenvolvimento. Mas muita pesquisa tem sido em curso sobre esta frente, também, especificamente relacionada com SFRs. No Japão, por exemplo, os investigadores estão a estudar os riscos através de uma metodologia de avaliação. A China estabeleceu um código de segurança para as condições nominais com base em parâmetros SFR para interações de calor de decaimento e concreto de sódio. ASTRID, um projeto de demonstração SFR que a França está desenvolvendo em colaboração com o Japão, produziu um guia de design de segurança com princípios básicos. A avaliação de segurança da Rússia do BN-1200, entretanto, identificou três tipos de acidentes fora do projeto: a perda de energia (onde as bombas nos circuitos primário e secundário param e não há alimentação de abastecimento de água); a introdução da reatividade pela retirada de duas varetas de controle e um acidente de bloqueio de montagem de combustível).O conjunto destes esforços é uma rede cada vez mais complexa de cooperação internacional para promover a partilha de informações sobre investigação e desenvolvimento e conhecimentos técnicos. Juntamente com o GIF, a AIEA coordena o projecto internacional de 2000 sobre reactores nucleares inovadores e ciclos de combustível. Entretanto, a European Sustainable Nuclear Industrial Initiative está a desenvolver ASTRID em França, ALFRED, um LFR na Roménia, e MYRHA, que é um projecto de irradiação de bismuto na Bélgica. ■
—Sonal Patel é um editor associado de poder.
