Avanço no Combustível Abre Caminho para Reator Nuclear de Ponta

O novo combustível é projetado para ser produzido em grandes quantidades INL

O Idaho National Laboratory (INL) superou um grande desafio ao tornar um reator nuclear de Geração IV viável. Usando um novo processo, uma equipe desenvolveu uma maneira mais eficiente de processar combustível para reatores de sal fundido de última geração.

Um dos principais impulsos para reviver a energia nuclear no século XXI é o desenvolvimento de novos projetos de reatores que, apenas algumas décadas atrás, eram considerados experimentais, com pouca perspectiva de se tornarem práticos.

Reatores de Sal Fundido: Uma Nova Fronteira

Uma das categorias desses reatores de Geração IV são os reatores de sal fundido, que substituem barras de combustível de urânio ou plutônio enriquecido e moderador/refrigerante de água por uma mistura de combustível nuclear e sal fundido. Embora o conceito possa parecer estranho inicialmente, ele oferece inúmeras vantagens sobre os reatores de água pressurizada comumente usados.

Sais de Urânio

Existem vários tipos de reatores de sal fundido, mas todos eles compartilham características comuns.

Primeiro, eles operam em temperaturas mais altas do que os reatores convencionais e em pressão atmosférica. Isso os torna mais eficientes, reduz tensões mecânicas e elimina o risco de um derretimento descontrolado, pois a reação nuclear é autolimitada. Além disso, gases perigosos ou prejudiciais, como hidrogênio e xenônio, podem ser facilmente liberados por meio de um processo químico simples.

Operando em torno de 600 °C (1.112 °F), os reatores de sal fundido oferecem 50% mais eficiência. Eles reciclam continuamente seu combustível, o que reduz o desperdício nuclear, e podem adicionar novo combustível enquanto removem o desperdício essencialmente por meio de encanamento.

O reator MCRE INL

Esses reatores também são bastante versáteis, capazes de lidar com vários tipos de combustíveis, o que não apenas aumenta sua viabilidade econômica, mas também contribui para reduzir a proliferação de armas nucleares. Além disso, os projetos de reatores podem ser modulares, permitindo a adaptação a plantas de pequena escala que podem atender a várias aplicações industriais, incluindo produção de petróleo, geração de hidrogênio, dessalinização, usinas flutuantes e propulsão de navios.

Desafios na Construção de Reatores de Sal Fundido

Embora tudo isso pareça promissor, a questão permanece: por que os engenheiros não construíram reatores de sal fundido antes? A resposta é que os cientistas sabem sobre esses reatores desde o início da era nuclear. Na verdade, um dos primeiros projetos de reatores para o Projeto Manhattan, que visava construir a primeira bomba atômica, propôs o uso de uma pasta de sal e urânio. No entanto, esse projeto teve vida curta porque eles não tinham urânio suficiente disponível, e o projeto de sal fundido não conseguia produzir plutônio, então eles escolheram um reator de grafite.

Desde então, houve vários projetos de sal fundido, incluindo um para submarinos e outro para alimentar aeronaves (felizmente, esses não avançaram). No entanto, esses projetos nunca ganharam força porque os reatores nucleares são muito mais complexos do que os livros escolares podem sugerir.

Líder técnico Bill Phillips INL

Apesar de suas vantagens, os reatores de sal fundido têm limitações. Eles são propensos a problemas de corrosão, bem como a tensões térmicas e de nêutrons. Além disso, os sais removem camadas de óxido protetoras de componentes metálicos. Outro desafio é o reprocessamento de combustível, que é mecanicamente simples, mas complicado pela natureza radioativa do combustível.

Desafios em Física Nuclear e Materiais

Além disso, basear reações nucleares em misturas fluidas de líquidos quentes introduz algumas áreas da física nuclear que são, em termos técnicos, ainda incertas. Há uma falta de ferramentas computacionais padronizadas para simulações de física de reatores, e os pesquisadores têm compreensão limitada de como a operação prolongada afeta os materiais estruturais.

Como se isso não bastasse para fazer um engenheiro nuclear hesitar, há a questão de fabricar o combustível para o reator. Você não pode usar urânio metálico como barras de combustível convencionais. Ele deve estar em uma forma que se dissolva em sais de cloreto, como cloreto de urânio (UCl₃) ou tetracloreto de urânio (UCl₄), o que apresenta desafios relacionados à complexidade de fabricação, estabilidade química, reatividade, etapas adicionais de processamento químico e corrosão.

Os experimentos usaram urânio desnaturado INL

Este é o problema que o Experimento de Reator de Cloreto Fundido (MCRE) do INL está abordando. Desde 2020, Bill Phillips e sua equipe técnica têm trabalhado para encontrar o composto de urânio certo e métodos para produzi-lo em massa com 90% de eficiência.

Esforço Colaborativo para Construir um Reator de Demonstração

O MCRE, em colaboração com a Southern Company e a TerraPower, visa construir o primeiro reator crítico de sal fundido de espectro rápido do mundo, com a meta de ter um reator de demonstração até 2028 e uma versão comercial até 2035.

O ponto crítico é que em 2020, o INL só conseguia produzir duas ou três onças (57 a 85 g) de combustível por vez. Infelizmente, o reator final precisa de três toneladas e meia para atingir a criticidade. Então, o INL começou a trabalhar com urânio desnaturado, que é muito mais barato, mas quimicamente idêntico ao urânio fissionável, para produzir mais combustível por lote.

Após muitas tentativas e erros, juntamente com um protótipo de forno personalizado e equipamento especializado, a equipe descobriu como combinar as condições, ingredientes e técnicas certas para produzir 18 kg (39 lbs) de cada vez.

Próximos Passos para Produção de Combustível em Larga Escala

De acordo com o INL, o próximo passo é produzir mais cinco lotes até outubro de 2025 para demonstrar o potencial para produção em larga escala de combustível nuclear enriquecido e carregar o MCRE para seus primeiros experimentos de reator. Esses experimentos visam estudar o comportamento de nêutrons no reator, verificar modelos teóricos para reatores de cloreto de espectro rápido, medir a estabilidade do combustível, avaliar a resistência à corrosão de materiais estruturais em sais de cloreto e examinar danos de radiação em materiais de contenção.

Começamos desperdiçando muito do metal de urânio ao qual tínhamos acesso e não seríamos capazes de produzir sal combustível suficiente para que o reator se tornasse crítico”, disse Nick Smith, diretor do projeto MCRE. “Após anos de experimentação e revisões, finalmente encontramos o processo certo para atingir o rendimento perfeito. É preciso um tipo especial de perseverança para continuar trabalhando em um problema quando não há garantia de que você encontrará uma solução.

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