Reator a sal fundido
Um reator de sal fundido é uma classe de reator de fissão nuclear no qual o refrigerante primário do reator e/ou o próprio combustível nuclear é uma mistura de sal fundido com um material físsil.
Os MSRs eliminam o cenário de derretimento nuclear presente em reatores refrigerados a água porque a mistura de combustível é mantida em estado líquido fundido. A mistura de combustível é projetada para drenar sem bombeamento do núcleo para um vaso de contenção em cenários de emergência, onde o combustível se solidifica, extinguindo a reação. Além disso, a formação de hidrogênio não ocorre. Isso elimina o risco de explosões de hidrogênio (como no acidente nuclear de Fukushima Daiichi). Eles operam na pressão atmosférica ou próximo a ela, em vez das 75 a 150 vezes a pressão atmosférica de um reator de água leve (LWR) típico. Isso reduz a necessidade e o custo de vasos de pressão do reator. Os produtos de fissão gasosos (Xe e Kr) têm pouca solubilidade no sal combustível,[a] e podem ser capturados com segurança à medida que borbulham para fora do combustível,[b] em vez de aumentarem a pressão no interior dos tubos de combustível, como acontece em reatores convencionais. Os MSRs podem ser reabastecidos durante a operação (essencialmente um reprocessamento nuclear contínuo online), enquanto os reatores convencionais são desligados para reabastecimento (exceções notáveis incluem reatores de tubos de pressão como o CANDU a água pesada ou os PHWRs da classe Atucha, o RBMK refrigerado a água leve e moderado a grafite, e reatores refrigerados a gás de construção britânica, como Magnox e AGR). As temperaturas de operação do MSR situam-se em torno de 700 °C (1 292 °F), significativamente superiores às dos LWRs tradicionais, que ficam em torno de 300 °C (572 °F). Isso aumenta a eficiência na geração de eletricidade e as oportunidades de aproveitamento de calor de processo.
Vantagens
Os MSRs oferecem muitas vantagens potenciais em relação aos reatores de água leve. Por um lado, os MSRs alcançam a remoção passiva do calor de decaimento. Em alguns projetos, o combustível e o refrigerante formam um único fluido; portanto, a perda de refrigerante transporta o combustível juntamente consigo. Os sais de fluoreto dissolvem-se mal em água e não formam hidrogênio combustível. O refrigerante fundido não é danificado pelo bombardeamento de nêutrons (embora o próprio vaso do reator seja). Os MSRs podem operar sob baixa pressão, dispensando a necessidade de vasos de contenção, tubulações e equipamentos de segurança de alta espessura e elevado custo.
Desvantagens
Em projetos de combustível circulante, o material radioativo dissolvido no sal combustível entra em contato direto com equipamentos como bombas e trocadores de calor. A intensa radiação pode exigir manutenção totalmente remota e robotizada desses sistemas. Alguns MSRs requerem processamento químico no próprio local da usina para gerenciar a mistura do núcleo e remover os produtos de fissão. Como os MSRs são altamente não convencionais quando comparados aos projetos mais conhecidos de reatores de água leve em uso hoje, serão necessárias alterações regulatórias para acomodar recursos de projeto não tradicionais. O MSRE e o ARE utilizaram urânio com níveis de enriquecimento próximos aos de grau bélico; esses níveis seriam ilegais na maioria dos regimes regulatórios modernos de usinas de energia e, portanto, os projetos contemporâneos empregam combustíveis com menor nível de enriquecimento.
Os MSRs podem ser resfriados de várias maneiras, inclusive utilizando sais fundidos. Os reatores de combustível sólido refrigerados a sal fundido são chamados diversamente de "sistema de reator de sal fundido" na proposta de Geração IV, reatores conversores de sal fundido (MSCR), reatores avançados de alta temperatura (AHTRs) ou reatores de alta temperatura refrigerados a fluoreto (FHR, a designação preferida pelo DOE). Os FHRs não podem reprocessar o combustível facilmente e possuem varetas de combustível que precisam ser fabricadas e validadas, exigindo até vinte anos a partir do início do projeto. O FHR mantém as vantagens de segurança e custo de um refrigerante de baixa pressão e alta temperatura, também compartilhadas pelos reatores refrigerados a metal líquido. Notadamente, o vapor não é gerado dentro do núcleo (ao contrário do que ocorre em reatores de água fervente) e não há necessidade de um vaso de pressão de aço grande e caro (como o exigido para reatores de água pressurizada). Como pode operar em altas temperaturas, a conversão do calor em eletricidade pode utilizar uma turbina a gás eficiente e leve de ciclo de Brayton.
Escolha do sal fundido
As misturas de sais são selecionadas para tornar o reator mais seguro e prático. O flúor possui apenas um isótopo estável ( 19F) e não se torna radioativo facilmente sob bombardeamento neutrônico. Comparado ao cloro e a outros haletos, o flúor também absorve menos nêutrons e desacelera ("modera") melhor os nêutrons. Os fluoretos de baixa valência entram em ebulição em temperaturas elevadas, embora muitos pentafluoretos e hexafluoretos fervam em temperaturas baixas. Eles precisam estar extremamente quentes antes de se decomporem em seus elementos constituintes. Tais sais fundidos são "quimicamente estáveis" quando mantidos bem abaixo de seus pontos de ebulição. Os sais de fluoreto dissolvem-se mal em água e não formam hidrogênio inflamável.
Purificação de sais fundidos
Técnicas para preparação e manipulação de sal fundido foram desenvolvidas inicialmente no ORNL. O objetivo da purificação do sal é eliminar óxidos, enxofre e impurezas metálicas. Os óxidos poderiam resultar na deposição de partículas sólidas durante a operação do reator. O enxofre deve ser removido devido ao seu ataque corrosivo sobre ligas à base de níquel na temperatura operacional. Metais estruturais como cromo, níquel e ferro devem ser eliminados para fins de controle de corrosão. Uma etapa de purificação para redução do teor de água utilizando gás de purga de HF e hélio foi especificada para operar a 400 °C. As contaminações por óxido e enxofre nas misturas de sais foram removidas utilizando borbulhamento de gás (sparging) com uma mistura de HF/ H2, com o sal aquecido a 600 °C. As contaminações por metais estruturais nas misturas de sais foram removidas utilizando borbulhamento de gás hidrogênio a 700 °C. O bifluoreto de amônio sólido foi proposto como uma alternativa mais segura para a remoção de óxidos.
Processamento do sal fundido
A possibilidade de processamento contínuo online pode constituir uma grande vantagem do MSR. O processamento contínuo reduziria o inventário de produtos de fissão, controlaria a corrosão e melhoraria a economia de nêutrons pela remoção de produtos de fissão com alta seção de choque de absorção de nêutrons, especialmente o xenônio. Isso torna o MSR particularmente adequado para o ciclo do combustível de tório, que é deficitário em nêutrons. O processamento de combustível em linha pode introduzir riscos de acidentes durante o tratamento químico, o que pode desencadear a liberação de radioisótopos. Em alguns cenários de regeneração de tório, o produto intermediário protactínio ( 233Pa) seria removido do reator e mantido à parte para decair em 233U altamente puro, um material atrativo para a fabricação de armas nucleares. Projetos mais modernos propõem a utilização de uma potência específica mais baixa ou uma manta fértil de tório separada. Isso dilui o protactínio a tal ponto que poucos átomos de protactínio absorvem um segundo nêutron ou, por meio de uma reação (n, 2n) (na qual um nêutron incidente não é absorvido, mas ejeta um nêutron do núcleo), geram 232U. Como o 232U tem uma meia-vida curta e sua cadeia de decaimento contém emissores de gama de alta energia, ele torna a composição isotópica do urânio menos favorável para a fabricação de armas. Esse benefício traria o custo adicional de um inventário físsil maior ou um projeto de 2 fluidos com grande quantidade de sal na manta fértil.
O reprocessamento refere-se à separação química de urânio e plutônio físseis a partir do combustível irradiado. Tal recuperação poderia elevar o risco de proliferação nuclear. Nos Estados Unidos, o regime regulatório variou drasticamente ao longo dos diferentes governos federais.
Uma revisão sistemática da literatura científica de 2020 conclui que há informações muito limitadas sobre a economia e o financiamento de MSRs, com baixa qualidade dos dados e estimativas de custo incertas. No caso específico do reator de sal estável (SSR), no qual o combustível radioativo é contido na forma de sal fundido dentro de pinos de combustível e o circuito primário não é radioativo, os custos operacionais tendem a ser mais baixos.
Embora muitas variantes de projeto tenham sido propostas, existem quatro categorias principais quanto ao papel desempenhado pelo sal fundido: O uso de sal fundido como combustível e como refrigerante constitui escolhas de projeto independentes: o pioneiro MSRE, com sal combustível circulante, e o mais recente SSR, com sal combustível estático, utilizam sal como combustível e sal como refrigerante; o DFR utiliza sal como combustível e metal líquido como refrigerante; e o FHR possui combustível sólido com sal como refrigerante.
Configurações de projeto
Os MSRs podem ser projetados para atuar como queimadores (conversores) ou como reprodutores. Podem operar no espectro rápido, térmico ou epitérmico. Os reatores térmicos empregam tipicamente um moderador (geralmente grafite) para desacelerar os nêutrons e regular a temperatura. Podem utilizar uma variedade de combustíveis (urânio de baixo enriquecimento, tório, urânio empobrecido, resíduos nucleares) e refrigerantes (fluoreto, cloreto, lítio, berílio ou misturas). O ciclo do combustível pode ser fechado ou aberto (queima direta sem reciclagem). As centrais podem ser monolíticas ou modulares, de grande ou pequeno porte. O reator pode adotar uma configuração em laço (loop), modular ou integral. As variações incluem:
Década de 1950
A pesquisa sobre MSR começou com o Aircraft Reactor Experiment (ARE) dos EUA, em apoio ao programa de Propulsão Nuclear Aeronáutica do país. O ARE foi um reator nuclear experimental de 2,5 MWth projetado para atingir alta densidade de energia, visando ao emprego como motor de um bombardeiro de propulsão nuclear. O projeto incluiu múltiplos experimentos, incluindo testes de alta temperatura e de motores denominados coletivamente Heat Transfer Reactor Experiments: HTRE-1, HTRE-2 e HTRE-3 na Estação Nacional de Testes de Reatores (atual Laboratório Nacional de Idaho), bem como um reator experimental de sal fundido de alta temperatura em Oak Ridge — o ARE.
Décadas de 1960 e 1970
O Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) assumiu a liderança na pesquisa de MSRs ao longo da década de 1960. Grande parte dos trabalhos culminou no Experimento do Reator de Sal Fundido (MSRE). O MSRE foi um reator de teste de 7,4 MWth projetado para simular o "núcleo" neutrônico de um reator reprodutor epitérmico de tório e sal fundido, denominado reator de tório com fluoreto líquido (LFTR). A ampla (e onerosa) manta fértil de sal de tório foi omitida em favor de medições neutrônicas. As tubulações, o vaso do núcleo e os componentes estruturais do MSRE foram fabricados em Hastelloy-N, moderados por grafite pirolítico. O reator tornou-se crítico em 1965 e funcionou durante quatro anos. Seu combustível era composto por LiF/BeF2/ZrF4/UF4 (65-29-5-1 mol%). O núcleo de grafite realizava a moderação. O refrigerante secundário era o FLiBe (2LiF · BeF2). Ele atingiu temperaturas de até 650 °C (1 202 °F) e alcançou o equivalente a cerca de 1,5 ano de operação contínua em potência nominal plena.
Século XXI
O interesse pelos MSRs ressurgiu no novo milênio diante dos contínuos adiamentos na viabilização da energia de fusão, das demandas de outros programas nucleares e da necessidade de implantar matrizes energéticas com emissões mínimas de gases de efeito estufa (GEE). O Laboratório Nacional de Oak Ridge retomou pesquisas ativas de apoio ao desenvolvimento de MSRs. Os estudos concentram-se na purificação e síntese de sais, testes de corrosão e desenvolvimento de software de simulação para modelar as condições do núcleo, a neutrônica e o transporte de nêutrons — inclusive em reatores de combustível líquido onde a massa físsil circula fora do vaso ativo.
A empresa ThorCon desenvolve o reator de sal fundido TMSR-500 voltado para o mercado da Indonésia. A Agência Nacional de Pesquisa e Inovação da Indonésia (BRIN), por meio de sua Organização de Pesquisa em Energia Nuclear, anunciou em 29 de março de 2022 a retomada do interesse por reatores MSR, planejando estudos para desenvolver a tecnologia aplicada a reatores movidos a tório. O Reator de Sal Fundido Fuji é um LFTR de 100 a 200 MWe concebido com tecnologia similar à desenvolvida no projeto de Oak Ridge, embora o projeto enfrente restrições orçamentárias. Em 2020, a Rosatom anunciou planos para construir um MSR queimador de 10 MWth à base de FLiBe. O reator será abastecido com plutônio oriundo do combustível nuclear irradiado reprocessado de reatores VVER e fluoretos de actinídeos menores. A entrada em operação está prevista para 2031 no Complexo de Mineração e Química (MCC) em Zheleznogorsk.
Canadá
A Terrestrial Energy, empresa com sede no Canadá, desenvolve um projeto de DMSR denominado Reator Integral de Sal Fundido (IMSR). O IMSR foi concebido como um pequeno reator modular (SMR). O projeto em processo de licenciamento é de 400 MW térmicos (190 MW elétricos). Com altas temperaturas de operação, o IMSR possui aplicações tanto no mercado de calor industrial quanto no setor elétrico convencional. As principais características de projeto incluem moderação de nêutrons por grafite, alimentação com urânio de baixo enriquecimento e uma unidade de núcleo compacta e substituível. O calor de decaimento é removido passivamente utilizando nitrogênio (com ar atmosférico como alternativa de emergência). Esse recurso permite a simplicidade operacional necessária para a implantação industrial.
China
A China iniciou um programa de pesquisa sobre reatores de tório em janeiro de 2011, investindo cerca de 3 bilhões de yuans (cerca de 500 milhões de dólares) no projeto até 2021. Um demonstrador de 100 MW da versão de combustível sólido (TMSR-SF), baseado na tecnologia de leito de esferas, foi planejado para ficar pronto até 2024. Uma unidade piloto de 10 MW e um demonstrador maior da variante de combustível líquido (TMSR-LF) foram estipulados para 2024 e 2035, respectivamente. Posteriormente, o governo chinês acelerou os planos para construir dois reatores subterrâneos de 12 MW nas instalações de pesquisa em Wuwei até 2020, com início pelo protótipo de 2 megawatts TMSR-LF1. O projeto teve como meta o teste de novos materiais resistentes à corrosão. Em 2017, a ANSTO e o Instituto de Física Aplicada de Xangai anunciaram a criação de uma liga de NiMo-SiC para uso em MSRs.
Dinamarca
A Copenhagen Atomics é uma empresa dinamarquesa de tecnologia que desenvolve reatores de sal fundido modulares para fabricação seriada. O Copenhagen Atomics Waste Burner é um reator de espectro térmico, fluido único, moderado a água pesada, baseado em sais de fluoreto e com controle autônomo. O sistema foi projetado para caber no interior de um contêiner marítimo padrão de aço inoxidável estanque de 40 pés. O moderador de água pesada é termicamente isolado do sal e continuamente drenado e resfriado a menos de 50 °C (122 °F). Uma variante com moderador de deuteróxido de lítio-7 fundido ( 7LiOD) também é objeto de pesquisa. O reator utiliza o ciclo do combustível de tório, empregando plutônio separado de combustível nuclear irradiado como carga físsil inicial para a primeira geração de reatores, fazendo a transição posterior para reprodução pura com tório. A Copenhagen Atomics desenvolve e testa ativamente válvulas, bombas, trocadores de calor, sistemas de medição, tecnologias de purificação de sais e softwares de controle para ambientes de sal fundido.
França
O projeto EVOL (Evaluation and viability of liquid fuel fast reactor system), coordenado pelo CNRS com o objetivo de formular um projeto de reator rápido de sal fundido (MSFR), publicou seu relatório final em 2014. Diversos projetos de MSR, como FHR, MOSART, MSFR e TMSR, compartilham tópicos comuns de pesquisa e desenvolvimento. O projeto EVOL teve continuidade por meio do programa SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor), financiado pela União Europeia, congregando universidades e centros atômicos de vários países europeus.
Alemanha
O Instituto de Física Nuclear do Estado Sólido de Berlim propôs o reator de duplo fluido (DFR) como um conceito para um MSR reprodutor rápido refrigerado a chumbo líquido. O conceito clássico de MSR utilizava o próprio sal fundido para fornecer o combustível de fissão e transportar o calor, gerando conflitos nas taxas de vazão necessárias. O uso de dois fluidos distintos em circuitos termicamente acoplados e mecanicamente separados foi formulado para contornar esse problema.[carece de fontes]?
Índia
Em 2015, pesquisadores indianos publicaram um projeto de MSR, concebido como rota alternativa para viabilizar reatores a tório em atendimento ao programa nuclear em três estágios da Índia.
