A descoberta da fissão nuclear na década de 1930 implicou a primeira ameaça de destruição nuclear por armas nucleares na década de 1940, seguida pela promessa de energia limpa e abundante na década de 1950, graças ao advento das usinas nucleares. Eles tiveram que substituir outras usinas termelétricas por uma que não produza gases de escape, não emite cinzas e requer apenas reabastecimento periódico com urânio e outro combustível nuclear, que pode ser encontrado em quase toda parte.
Equipamento que primeiro provou a possibilidade de fissão atômica experimental em 1938Novos reatores nucleares surgiram com velocidade crescente nas décadas de 1950 e 1960, o que levantou preocupações sobre uma possível escassez de combustível de urânio, o que levou a um aumento no número de estudos no campo dos chamados "Reatores rápidos de nêutrons", que na modificação
de reatores de reprodução podem usar combustível de urânio com muito mais eficiência. Eles usam nêutrons para converter ("multiplicar") urânio-238 em plutônio-239, que pode ser misturado com combustível de urânio e criar
combustível MOX para reatores lentos de nêutrons, como resultado em um único ciclo é possível usar não 1%, mas até 60% da energia de urânio.
O boom da descoberta de urânio na década de 1970 interrompeu a pesquisa nessa área; no entanto, por exemplo, a França trabalhou constantemente em seus projetos Rapsodie, Phénix e SuperPhénix e abandonou recentemente recentemente a demonstração da tecnologia ASTRID de quarta geração depois de tentar por muitos anos. trazê-lo até o fim.
No entanto, este não é o fim de reatores rápidos. Neste artigo, examinaremos os milagres da engenharia e os diferentes tipos de reatores rápidos que países como Rússia, China e Índia usam ou desenvolvem.
O que é "rápido" em reatores rápidos
Reatores rápidos são produzidos pela velocidade dos nêutrons no processo de fissão nuclear. Se nos
reatores de água leve a água comum é usada para desacelerar os nêutrons, isso não ocorre nos reatores de melhoramento rápido (BRR). Os nêutrons emitidos pelo urânio-235 e outros isótopos durante uma reação em cadeia se movem a velocidades significativas. Curiosamente, a velocidade do nêutron determina a probabilidade de ele interagir com um núcleo específico.
Produção de actinídeos transurânicos em reatores térmicos de nêutronsPara categorizar nuclídeos, uma propriedade como a
seção transversal de nêutrons é usada . Quando um núcleo absorve um nêutron e o salva ou se deteriora, eles dizem que ele caiu na seção transversal do nêutron. Os nuclídeos físseis têm uma seção transversal de nêutrons de fissão. Outros nuclídeos simplesmente espalham nêutrons - eles têm uma seção transversal de nêutrons dispersantes. Nuclídeos com grandes seções transversais de nêutrons absorventes são chamados de "veneno de nêutrons", porque eles simplesmente absorvem nêutrons sem deteriorar e, de fato, privam a reação nuclear dos nêutrons.
Um nuclídeo do tipo urânio-238 é interessante na razão percentual diferente de zero de cada uma dessas categorias de seção transversal de nêutrons, o que explica parcialmente por que é tão pouco adequado como combustível para reatores de água leve. Isso é completamente diferente no caso do urânio-235 - ele possui uma grande seção transversal de nêutrons de fissão, mas apenas em velocidades de nêutrons muito mais baixas do que as possuídas por nêutrons liberados durante uma reação nuclear. Isso significa que os nêutrons nos reatores de água leve devem ser mais lentos (para velocidades de "temperatura") para manter o processo de decaimento.
E aqui, entre as barras de combustível, há água e os nêutrons voam por toda parte aqui e ali, após iniciar o processo de decaimento com a ajuda de uma fonte inicial de nêutrons. Esses nêutrons rápidos colidem facilmente com átomos de hidrogênio em uma molécula de água, perdem energia cinética e diminuem a velocidade. Como resultado, eles voam para outra barra de combustível (ou a mesma) e dividem com sucesso outro nuclídeo de urânio-235.
Além disso, essa propriedade inibidora da água funciona como uma medida de segurança. À medida que a temperatura no núcleo aumenta, a água ferve e se transforma em gás, por causa do qual haverá menos moléculas de água no volume unitário, a desaceleração de nêutrons para e a velocidade da reação em cadeia nuclear diminui. Esse
coeficiente de reatividade a vapor negativo
é onipresente nos reatores modernos, com exceção do notório modelo
RBMK e
dos reatores canadenses
de água pesada
CANDU .
Cultivamos plutônio para entretenimento e ganhos
Anel de plutônio praticamente puroComo mencionado anteriormente, o urânio-238 possui características bastante estranhas às seções transversais de nêutrons. Ele absorve e dispersa nêutrons e às vezes produz fissão do núcleo, e a primeira ação ocorre com muito mais frequência. Tendo capturado um nêutron, o nuclídeo de urânio-238 é convertido (transmutado) em plutônio-239 (e alguns nuclídeos de plutônio-239 são convertidos em plutônio-240). Esse processo também ocorre em um reator de água leve, mas lá está ocorrendo intencionalmente - o plutônio é produzido dessa maneira no BRR.
Não há moderador de nêutrons na RBR, pois precisa de nêutrons rápidos que convertam o máximo possível de urânio-238 em plutônio-239. No BDS, o núcleo enriquecido de urânio-235 é coberto por um invólucro composto principalmente de urânio-238, que está lentamente se transformando em plutônio-239 e plutônio-240, que são então usados como combustível MOX. Acontece que o esquema de operação da BRR é relativamente simples e usa um circuito de refrigeração ou uma piscina. Como refrigeradores, geralmente é usado metal líquido ou refrigerante à base de sódio, uma vez que prendem fracamente nêutrons, mas transferem perfeitamente o calor.
A BRR francesa foi usada para gerar eletricidade da maneira das usinas térmicas convencionais e para produzir plutônio, necessário para criar combustível MOX, que pode ser usado em reatores de água leve. A principal razão para organizar esse processo foi o desejo de independência energética, uma vez que a França não possui reservas significativas de urânio. E esse processo tornaria possível obter até 60 vezes mais energia do urânio importado, o que significava que cada quilograma duraria 60 vezes mais.
Reator experimental de reprodutor II (EBR II)Outras tentativas de criar reatores rápidos de nêutrons incluem o reator rápido integrado nos Estados Unidos e o japonês
Monju (seguido pelo reator rápido de nêutrons resfriado a sódio Zoyo). Um agradável efeito colateral da reprodução do combustível de urânio é economizar a quantidade de combustível usado no final do ciclo de combustível aberto, uma vez que o urânio 238 originalmente presente é queimado no plutônio 239 em um reator de água leve. O combustível usado pode ser passado novamente através do reator rápido de nêutrons, onde serão queimados os "resíduos" de isótopos que não podem ser usados pelo reator de água leve e será criado combustível adicional para o reator de água leve.
Infelizmente, os RBDs são mais caros que os de água leve, e os problemas com o resfriamento de sódio (principalmente a necessidade de impedir o contato com a água) levaram ao fato de que, desde a queda dos preços do urânio na década de 1970, geralmente é mais econômico criar novo combustível a partir do minério de urânio, e Armazene ou descarte o combustível usado após um ciclo aberto de combustível em um reator de água leve.
Apesar do reator de água leve também multiplicar um pouco o combustível, convertendo urânio-238 em plutônio, o combustível usado ainda contém
cerca de 96% do urânio inicial, cerca de 3% dos isótopos "resíduos" e cerca de 1% dos isótopos de plutônio.
Queime, querida, queime
Embora a maioria dos reatores de nêutron rápido seja usada para multiplicar combustível para reatores de água leve, outro tipo é projetado para uso local de todo o combustível. Esse reator é chamado de reator rápido de nêutrons (RBN), e a configuração de seu núcleo é diferente da configuração do BRR, mas não possui diferenças fundamentais. Teoricamente, qualquer RBN pode ser usado para reproduzir e queimar combustível.
Diagrama esquemático de um reator rápido de nêutrons resfriado a sódioPara alterar o esquema de RBD para RBN, é necessário remover o revestimento de urânio-238 e instalar
refletores de nêutrons feitos de aço inoxidável (ou algo semelhante). No reator resultante, os nêutrons liberados permanecem dentro do núcleo e podem interagir com os nuclídeos, continuando o processo de fissão.
Como resultado, os RBNs podem quebrar e converter nuclídeos em combustível até que não exista uma quantidade significativa de actinídeos nele (incluindo urânio e plutônio). Esse processo pode ser combinado com a regeneração pirrometalúrgica de combustível, que permite reprocessar o combustível irradiado em um reator de água leve para seu uso na RBF, que essencialmente fecha o ciclo do combustível nuclear.
Resistência francesa
Não apenas a economia teve um papel importante em parar o desenvolvimento da RBN no Ocidente. O RBN atraiu a atenção de terroristas e políticos. Um exemplo do trabalho do primeiro é o ataque com foguetes à usina nuclear de Superphoenix, realizado em 18 de janeiro de 1982 pelo terrorista ambiental Chaim Nissim. Ele atirou em usinas nucleares do lançador de granadas anti-tanque soviético RPG-7, acreditando que o RBN "poderia explodir com todos os seus nêutrons velozes". A usina nuclear era um projeto conjunto da França, Itália e Alemanha, e foi originalmente planejada para construir as usinas nucleares desse projeto na França e na Alemanha.
Edifício do reator SuperphoenixDesde o início, a Superfenix enfrentou forte resistência política de grupos antinucleares, e o protótipo do reator foi fechado em 1998, quando o governo francês era liderado por ministros verdes. A única razão anunciada para o fechamento foi que o projeto se mostrou insustentável por causa de seu "custo excessivo", já que 9,1 bilhões de euros foram gastos desde 1976, ou seja, cerca de 430 milhões de euros por ano. E isso apesar do fato de que em 1996 os problemas com o circuito de sódio foram resolvidos, e o reator realmente ganhou dinheiro fornecendo eletricidade durante a maior parte de sua existência.
Desenvolvimentos atuais
A situação nos EUA, França e outros países ocidentais é muito diferente do que estava acontecendo na URSS, na China e na Índia. Desde 1973, o
BN-350 , localizado às margens do Mar Cáspio (agora este é o território do Cazaquistão), fornece à cidade vizinha de Aktau 135 MW de eletricidade e água dessalinizada. Foi fechado apenas em 1994, uma vez que a sociedade gestora ficou sem fundos para a compra de combustível. Em 1999, após 26 anos de operação, foi completamente fechado.
A série
BN-600 foi continuada pelo reator
BN-600 construído na central nuclear de Beloyarsk, na região de Sverdlovsk, perto da cidade de Zarechny, na Rússia. Utiliza uma piscina refrigerada a sódio e está em operação desde 1980, fornecendo 600 MW à rede local. Apesar de vários problemas menores, principalmente relacionados ao vazamento de sódio, seu histórico de trabalho não apresentava problemas, apesar de ser o segundo protótipo desta série [desde o momento em que o reator Phoenix foi desligado na França em 2009 até meados de 2014 (lançamento BN-800) O BN-600 foi o único reator ativo rápido de energia de nêutrons do mundo / aprox. transl.].
BN-800 em BeloyarskO reator
BN-800 , construído no mesmo local em Beloyarsk, é o protótipo final da série BN e fornece 85% de economia de serviço em comparação com o reator de água leve
VVER-1200 . O
BN-1200 projetado será o primeiro RBN de produção em massa. Os reatores experimentais chineses CEFR FNR e CFR-600 são baseados na tecnologia russa de reatores BN. A Rússia também está trabalhando no BRN com o resfriamento de chumbo
BREST .
A Índia descobriu uma abundância de tório-232, o que levou à criação de um ambicioso programa para desenvolver reatores paralelos aos urânio baseados em tório. O programa de tório consiste em três etapas. Primeiro eles produzem plutônio a partir de urânio usando reatores de água leve. O RBN cria então urânio-233 a partir do tório-232, queima de plutônio. Finalmente,
os reatores avançados de água pesada terão que usar o tório resultante como combustível, e o urânio 233 e o plutônio como combustível auxiliar.
Outros RBNs de geração IV também estão sendo desenvolvidos - por exemplo, um
reator rápido resfriado a
gás (HBR) com hélio.
Fechando o ciclo do combustível
Como mencionado anteriormente, os RBNs são capazes de usar todo o combustível irradiado de hoje (geralmente chamado de "lixo nuclear"). Juntamente com a regeneração pirrometalúrgica de combustível, isso permitirá que os reatores de fissão nuclear trabalhem com quase zero desperdício, usando todo o combustível de urânio, actinídeos secundários, etc. Esse processo é o principal objetivo do programa nuclear russo e também é levado em consideração nos programas nucleares da China, Japão e Coréia do Sul.
Paralelamente a projetos nos EUA (principalmente no
Laboratório Nacional de Argonne e seu projeto de um reator rápido integrado com regeneração pirrometalúrgica de combustível), o Instituto Coreano de Pesquisa de Energia Atômica na Coréia do Sul está trabalhando ativamente para fechar o ciclo de combustível. O objetivo é separar o combustível irradiado de tudo o que ainda é adequado como combustível - isto é, do que permanece radioativo. Infelizmente, por razões políticas, a Rússia praticamente não trabalha em conjunto nesses projetos com outros países, com exceção da China, e a Coréia do Sul não coopera com ninguém além do Japão e da China.
Mas, apesar disso, os esforços continuam a criar RBNs de geração IV e o tornam o reator preferido para novas usinas nucleares - isso não apenas permitirá o uso completo de combustível nuclear reprocessado e encerra o ciclo de combustível, mas também aumenta a quantidade de energia que podemos extrair do urânio (e, possivelmente tório) muitas vezes. Isso nos permitirá aumentar ainda mais as estimativas mais pessimistas dos termos que podemos manter no urânio existente de centenas de anos para alguns milhares confortáveis, e não deixar resíduos para trás na forma de combustível de urânio.