Como os reatores nucleares de próxima geração rompem com o modelo do século 20

Download

Todos os reatores nucleares comerciais funcionam praticamente da mesma forma. Átomos de um material radioativo se dividem, emitindo nêutrons. Esses atingem outros átomos, dividindo-os e fazendo com que emitam mais nêutrons, que atingem outros átomos, continuando a reação em cadeia.

Isso libera calor, que pode ser usado diretamente ou ajudar a transformar água em vapor para girar uma turbina e produzir eletricidade. Hoje, esses reatores normalmente usam o mesmo combustível, o urânio, e o mesmo refrigerante, a água, e todos têm aproximadamente o mesmo tamanho, que é enorme. Por décadas, esses gigantes têm enviado elétrons para redes elétricas ao redor do mundo. Sua popularidade aumentou nos últimos anos, à medida que preocupações com a mudança climática e a independência energética abafaram preocupações sobre derretimentos e resíduos radioativos. O problema é que construir usinas nucleares é caro e lento.

Uma nova geração de tecnologia de energia nuclear poderia reinventar como é um reator e como ele funciona. Defensores esperam que ela possa renovar o setor e ajudar a substituir combustíveis fósseis sem emitir gases de efeito estufa.

A demanda por eletricidade está crescendo em todo o mundo. O aumento das temperaturas e o desenvolvimento das economias estão colocando mais aparelhos de ar-condicionado em funcionamento. Esforços para modernizar a manufatura e cortar a poluição climática estão mudando a indústria pesada (que fornece insumos para setores como siderurgia, mineração, petroquímica, construção naval e automotiva). O boom da Inteligência Artificial está colocando em operação mais data centers que consomem muita energia.

A energia nuclear pode ajudar, mas apenas se novas usinas forem seguras, confiáveis, baratas e capazes de entrar em operação rapidamente. Veja como essa nova geração pode vir a ser.

Reduzindo o tamanho

Toda usina nuclear construída hoje é basicamente feita sob medida, projetada para um local específico. Mas os reatores modulares pequenos (Small Modular Reactors, ou SMRs, na sigla em inglês) poderiam levar a linha de montagem ao desenvolvimento de reatores nucleares. Ao tornar os projetos menores, as empresas poderiam construir mais deles e os custos poderiam cair à medida que o processo é padronizado.

Se isso funcionar, os SMRs também poderiam significar novos usos para a energia nuclear. Bases militares, locais isolados, como minas, ou comunidades remotas que precisem de energia após um desastre, poderiam usar reatores móveis, como um em desenvolvimento pela BWXT, sediada nos Estados Unidos, em parceria com o Departamento de Defesa. Ou instalações industriais que precisem de calor para coisas como fabricação química poderiam instalar um pequeno reator, como uma planta química planeja fazer em cooperação com a startup nuclear X-energy.

Duas usinas com SMRs estão em operação hoje, na China e na Rússia, e outras unidades iniciais provavelmente seguirão seu exemplo e fornecerão eletricidade à rede. Na China, o projeto de demonstração Linglong One está em construção em um local onde dois grandes reatores já estão operando. O SMR deve entrar em operação até o fim do ano. Nos EUA, a Kairos Power recentemente obteve aprovação regulatória para construir o Hermes 2, um pequeno reator de demonstração. Ele deve operar até 2030.

Uma grande questão para projetos de reatores menores é até que ponto uma abordagem de linha de montagem realmente ajudará a reduzir custos. Embora os SMRs talvez não sejam, em si, feitos sob medida, eles ainda serão instalados em locais diferentes e o planejamento para a possibilidade de terremotos, inundações, furacões ou outras condições específicas do local ainda exigirá alguma personalização cara.

Abastecendo

Quando se trata de urânio, o número que realmente importa é a concentração de urânio-235, o tipo que pode sustentar uma reação em cadeia. A maior parte do elemento é um isótopo mais pesado, o urânio-238, que não pode garantir a reação em cadeia. O urânio que ocorre naturalmente contém cerca de 0,7% de urânio-235, então, para ser útil, ele precisa ser enriquecido, concentrando esse isótopo.

O material usado para armas nucleares é altamente enriquecido para níveis de urânio-235 acima de 90%. Os reatores nucleares comerciais de hoje usam um material muito menos concentrado como combustível, geralmente entre 3% e 5% de urânio-235. Novos reatores poderiam elevar essa quantidade, usando uma classe de material chamada urânio de baixo enriquecimento de alto teor (High-Assay Low-Enriched Uranium, ou HALEU, na sigla em inglês), que varia de 5% a 20% de urânio-235, ainda bem abaixo do enriquecimento em nível de armas.

Essa concentração mais alta significa que o HALEU pode sustentar uma reação em cadeia por muito mais tempo antes que o reator precise ser reabastecido (a duração varia com a concentração: quanto maior o enriquecimento, maior o intervalo entre os reabastecimentos). Essas porcentagens mais altas também permitem arquiteturas alternativas de combustível.

Usinas nucleares típicas hoje usam combustível que é prensado em pequenos pellets (pequena porção de material aglomerada, geralmente, em formato cilíndrico), que, por sua vez, são empilhados dentro de grandes varetas revestidas com uma cobertura de zircônio. Mas urânio de maior concentração pode ser transformado em combustível isotrópico tristrutural, ou TRISO.

O TRISO usa pequenos grãos de urânio, com menos de um milímetro de diâmetro, revestidos em camadas de carbono e cerâmica que contêm o material radioativo e quaisquer produtos das reações de fissão. Fabricantes embutem essas partículas em pellets cilíndricos ou esféricos de grafite. O combustível de fato compõe uma proporção relativamente pequena do volume desses pellets, e é por isso que usar material mais enriquecido é importante.

Os pellets são um mecanismo de segurança embutido, um sistema de contenção que pode resistir à corrosão e sobreviver à irradiação de nêutrons e a temperaturas acima de 1.800 °C. Reações de fissão acontecem com segurança dentro de todas essas camadas protetoras, que são projetadas para deixar o calor se infiltrar para fora e ser levado pelo refrigerante para ser usado.

Resfriando

O material refrigerante em um reator controla a temperatura e transporta calor do núcleo para onde quer que ele seja usado para fazer vapor, que então pode gerar eletricidade. A maioria usa água para esse trabalho, mantendo-a sob pressões superaltas para que permaneça líquida enquanto circula. Mas novas empresas estão reinventando esse processo com outros materiais, como gás, metal líquido ou sal fundido.

Esses reatores podem operar seus circuitos de refrigerante a temperaturas muito mais altas do que é possível ao usar água, passando de 500 °C, em comparação com um máximo de cerca de 300 °C. Isso ajuda porque é mais fácil transportar calor em altas temperaturas e substâncias mais quentes produzem vapor de forma mais eficiente.

Refrigerantes alternativos também podem ajudar na segurança. Um circuito de refrigerante de água opera a mais de cem vezes a pressão atmosférica padrão. Manter a contenção é complicado, mas vital. Um vazamento que permita que o refrigerante escape poderia fazer o reator entrar em derretimento.

Os de metal e sal, por outro lado, permanecem líquidos em altas temperaturas, mas em pressões mais administráveis, mais próximas de uma atmosfera. Assim, esses projetos de próxima geração não precisam de equipamentos de contenção reforçados, de alta pressão.

Esses novos refrigerantes certamente introduzem suas próprias complicações, porém. O sal fundido pode ser corrosivo na presença de oxigênio, por exemplo, então os construtores precisam escolher cuidadosamente os materiais usados para construir o sistema de resfriamento. E, como o metal sódio pode explodir quando entra em contato com água, a contenção é fundamental em projetos que dependem dele.

No fim, reatores que usam refrigerantes alternativos ou novos combustíveis precisarão demonstrar não apenas que podem gerar energia, mas também que são robustos o suficiente para operar com segurança e de forma econômica por décadas.