Reator a sal fundido

 Nota: Para reatores nucleares refrigerados ou abastecidos por sal fundido, veja sistemas térmicos de retenção de calor para armazenamento de energia.
Exemplo de esquema de um reator de sal fundido

Um reator de sal fundido (MSR, do inglês molten-salt reactor) 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.

Dois MSRs de pesquisa operaram nos Estados Unidos em meados do século XX. O Aircraft Reactor Experiment (ARE), na década de 1950, foi motivado principalmente pelas dimensões compactas da tecnologia, enquanto o Experimento do Reator de Sal Fundido (MSRE), na década de 1960, teve como objetivo demonstrar uma central nuclear utilizando o ciclo do combustível de tório em um reator reprodutor.

O aumento das pesquisas sobre projetos de reatores de Geração IV renovou o interesse pela tecnologia no século XXI, com múltiplos países iniciando projetos. Em 11 de outubro de 2023, o reator chinês TMSR-LF1 atingiu a criticalidade e, subsequentemente, alcançou operação em potência máxima, bem como a regeneração de tório.

Propriedades

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, e podem ser capturados com segurança à medida que borbulham para fora do combustível, 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.

Os desafios de projeto relevantes incluem a corrosividade dos sais quentes e a composição química mutável do sal à medida que ele é transmutado pelo fluxo de nêutrons.[carece de fontes]?

Os MSRs, especialmente aqueles com combustível no sal fundido, oferecem pressões de operação mais baixas e temperaturas mais altas. Sob esse aspecto, um MSR é mais semelhante a um reator refrigerado por metal líquido do que a um reator convencional refrigerado a água leve. Os projetos de MSR são frequentemente reatores reprodutores com ciclo de combustível fechado — em oposição ao combustível de ciclo aberto de queima única (once-through) utilizado atualmente nos geradores de energia nuclear convencionais.[carece de fontes]?

Os MSRs exploram um coeficiente de temperatura de reatividade negativo e uma ampla elevação de temperatura permitida para evitar acidentes de criticalidade. Para projetos com o combustível dissolvido no sal, o sal se expande termicamente de imediato diante de excursões de potência. Em reatores convencionais, a reatividade negativa sofre atraso, pois o calor do combustível precisa ser transferido para o moderador. Um método adicional é posicionar um reservatório separado e refrigerado passivamente sob o reator. O combustível escoa para esse reservatório durante falhas operacionais ou manutenção, o que interrompe a reação.

As temperaturas de alguns projetos são altas o suficiente para produzir calor de processo, o que levou à inclusão da tecnologia no roteiro do fórum Geração IV.

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.

Os MSRs podem viabilizar ciclos de combustível nuclear fechados mais baratos, pois conseguem operar com nêutrons lentos. Ciclos de combustível fechados podem reduzir os impactos ambientais; a separação química transforma actinídeos de vida longa em combustível para o reator, e os resíduos descartados são em sua maioria produtos de fissão com meia-vida mais curta. Isso pode reduzir a necessidade de contenção de resíduos para 300 anos, em comparação aos mais de 10.000 anos necessários para os resíduos nucleares produzidos por reatores modernos. Além disso, a fase líquida do combustível de sal fundido pode ser submetida a piroprocessamento para separar os produtos de fissão do elemento combustível, o que traz vantagens em relação ao reprocessamento convencional. Os MSRs também não exigem a fabricação física de varetas de combustível.

Alguns projetos de MSR são compatíveis com nêutrons rápidos, que "queimam" elementos transurânicos, como 240Pu e 241Pu, gerados por reatores padrão. Isso possibilita o uso de uma gama mais ampla de elementos combustíveis no reator. Os MSRs também possuem potencialmente economia de nêutrons suficiente para explorar o ciclo do combustível de tório, que é pobre em nêutrons.

Os MSRs podem operar em altas temperaturas, obtendo uma eficiência térmica superior à dos reatores modernos. O tamanho, o custo e o impacto ambiental do reator são reduzidos como consequência. De forma correlata, os MSRs podem oferecer uma potência específica elevada (potência por unidade de massa), conforme demonstrado pelo ARE.

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.

Alguns projetos de MSR dependem de ligas de níquel de alto custo para conter o sal fundido. Essas ligas são propensas à fragilização sob elevado fluxo de nêutrons.

Entre as principais questões, os MSRs estão sujeitos a um alto risco de corrosão. Os sais fundidos são fortemente corrosivos e demandam uma gestão rigorosa de seu estado de oxidação para atenuar os riscos associados. Isso é particularmente desafiador para projetos circulantes, nos quais uma mistura de isótopos radioativos e seus produtos de decaimento circula por todo o reator. Os projetos estáticos beneficiam-se da compartimentação do problema: o sal combustível é contido no interior de pinos de combustível cuja substituição periódica, motivada principalmente pela irradiação de nêutrons, é padronizada; enquanto o sal refrigerante possui uma composição química mais simples e não apresenta risco de corrosão nem para os pinos de combustível nem para o vaso do reator. Os MSRs desenvolvidos no ORNL na década de 1960 eram seguros para operar por apenas alguns anos e funcionavam a apenas cerca de 650 °C (1 202 °F). Os riscos de corrosão abrangem a dissolução de cromo por sais líquidos de fluoreto e tório em temperaturas superiores a 700 °C (1 292 °F), colocando em risco componentes de aço inoxidável. A radiação neutrônica pode transmutar agentes de liga comuns (como cobalto e níquel), encurtando a vida útil dos materiais. Sais de lítio como o FLiBe exigem o uso de 7Li para reduzir a geração de trítio (o trítio pode permear aços inoxidáveis, causar fragilização e escapar para o meio ambiente). O ORNL desenvolveu a liga Hastelloy N para ajudar a resolver essas questões, enquanto outros aços estruturais podem ser aceitáveis, como 316H, 800H e Inconel 617.

Alguns projetos de MSR podem ser convertidos em reatores reprodutores para produzir material nuclear de grau bélico, representando um risco de proliferação nuclear.

A vida útil do núcleo é limitada pelos danos causados por nêutrons aos materiais moderadores sólidos. Como exemplo, o moderador de grafite do MSRE foi projetado com tolerâncias dimensionais folgadas, de modo que os danos causados por nêutrons pudessem alterá-las sem consequências estruturais graves. Os projetos de MSR de fluido duplo não utilizam tubulações de grafite porque o grafite sofre alterações dimensionais ao ser bombardeado por nêutrons. MSRs que utilizam nêutrons rápidos não podem usar grafite, pois ele modera os nêutrons.

Os MSRs térmicos apresentam taxas de reprodução menores do que os reprodutores de nêutrons rápidos, embora seu tempo de duplicação possa ser mais curto.

Refrigerante

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.

Grande parte das pesquisas atuais sobre FHRs concentra-se em trocadores de calor pequenos e compactos que reduzem os volumes de sal fundido e os custos associados.

Os sais fundidos podem ser fortemente corrosivos, e a corrosividade aumenta com a temperatura. Para o circuito primário de arrefecimento, é necessário um material que resista à corrosão sob altas temperaturas e radiação intensa. Experimentos mostram que o Hastelloy-N e ligas semelhantes são adequados para essas tarefas em temperaturas de operação de até cerca de 700 °C. No entanto, a experiência operacional ainda é limitada. Temperaturas de operação ainda mais elevadas são desejáveis — a 850 °C (1 560 °F), a produção termoquímica de hidrogênio torna-se viável. Materiais para essa faixa de temperatura ainda não foram validados, embora compósitos de carbono, ligas de molibdênio (ex.: TZM), carbetos e ligas à base de metais refratários ou ligas ODS possam ser viáveis.[carece de fontes]?

Escolha do sal fundido

FLiBe fundido

As misturas de sais são selecionadas para tornar o reator mais seguro e prático.

Flúor

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.

Cloro

O cloro possui dois isótopos estáveis ( 35Cl e 37Cl), bem como um isótopo de decaimento lento entre eles que facilita a absorção de nêutrons pelo 35Cl.

Os cloretos permitem a construção de reatores reprodutores rápidos. Pesquisas muito menos volumosas foram realizadas sobre projetos de reatores utilizando sais de cloreto. O cloro, ao contrário do flúor, deve ser purificado para isolar o isótopo estável mais pesado, 37Cl, reduzindo assim a produção de tetracloreto de enxofre que ocorre quando o 35Cl absorve um nêutron para se transformar em 36Cl e, em seguida, degrada-se por decaimento beta para 36S.

Lítio

O lítio deve estar na forma de 7Li purificado, pois o 6Li captura nêutrons de forma eficaz e produz trítio. Mesmo que seja utilizado 7Li puro, os sais contendo lítio causam uma produção significativa de trítio, comparável à dos reatores de água pesada.

Misturas

Os sais de reatores são geralmente misturas próximas ao ponto eutético para reduzir seu ponto de fusão. Um ponto de fusão baixo simplifica a fusão do sal na inicialização e reduz o risco de o sal congelar ao ser resfriado no trocador de calor.

Devido à ampla "janela redox" dos sais fundidos de fluoreto, o potencial redox do sistema de sal fundido pode ser ajustado. A mistura flúor-lítio-berílio ("FLiBe") pode ser combinada com adições de berílio para reduzir o potencial redox e praticamente eliminar a corrosão. No entanto, como o berílio é extremamente tóxico, precauções especiais devem ser integradas ao projeto para evitar sua liberação no meio ambiente. Muitos outros sais podem causar corrosão na tubulação, especialmente se o reator estiver quente o suficiente para produzir hidrogênio altamente reativo.

Até o momento, a maior parte das pesquisas tem se concentrado no FLiBe, porque o lítio e o berílio são moderadores razoavelmente eficazes e formam uma mistura eutética de sal com um ponto de fusão mais baixo do que cada um dos sais constituintes isolados. O berílio também aprimora a economia de nêutrons por meio da duplicação neutrônica, que ocorre quando um núcleo de berílio emite dois nêutrons após absorver um único nêutron. Para os sais que transportam combustível, geralmente adiciona-se 1% ou 2% (em fração molar) de UF4. Fluoretos de tório e de plutônio também têm sido utilizados.

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.

A tecnologia necessária para o reprocessamento do sal combustível foi demonstrada, mas apenas em escala laboratorial. Um pré-requisito para o projeto de um reator comercial em escala real é a pesquisa e desenvolvimento para projetar um sistema de purificação de sal economicamente competitivo.

Reprocessamento de combustível

Variação da composição em um MSR de nêutrons rápidos (kg/GW)

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.

Custos e viabilidade econômica

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.

Tipos de reatores de sal fundido

Embora muitas variantes de projeto tenham sido propostas, existem quatro categorias principais quanto ao papel desempenhado pelo sal fundido:

CategoriaExemplos
Combustível em sal fundido – circulação externaARE • AWB • CMSR • DMSR • EVOL • LFTR • IMSR • MSFR • MSRE • MSDR • DFR • TMSR-500 • TMSR-LF
Combustível em sal fundido – estáticoSSR
Apenas refrigerante de sal fundidoFHR • TMSR-SF

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:

Reator rápido de sal fundido

O reator rápido de sal fundido (MSFR) é um projeto proposto no qual o combustível se encontra dissolvido em um sal refrigerante de fluoreto. O MSFR é uma das duas variantes de MSRs selecionadas pelo Fórum Internacional Geração IV (GIF) para desenvolvimento aprofundado, sendo a outra o FHR ou AHTR. O MSFR baseia-se em um espectro de nêutrons rápidos e é considerado um substituto a longo prazo para reatores rápidos de combustível sólido. Eles vêm sendo estudados há quase uma década, principalmente por meio de cálculos teóricos e determinação de propriedades físicas e químicas fundamentais na União Europeia e na Federação Russa. Um MSFR é considerado sustentável porque não enfrenta escassez de combustível. A operação de um MSFR, em teoria, não gera nem requer grandes quantidades de elementos transurânicos (TRU). Quando o regime estacionário é alcançado em um MSFR, não há mais necessidade de instalações de enriquecimento de urânio.

Os MSFRs podem ser reatores reprodutores. Eles operam sem um moderador no núcleo, como o grafite, de modo que a vida útil do grafite deixa de ser um problema. Isso resulta em um reator reprodutor com espectro de nêutrons rápidos que opera no ciclo do combustível de tório. Os MSFRs contêm inventários iniciais relativamente pequenos de 233U. Os MSFRs funcionam com combustível líquido, sem matéria sólida no interior do núcleo. Isso possibilita alcançar uma potência específica muito superior à dos reatores que utilizam combustível sólido. O calor produzido vai diretamente para o fluido de transferência térmica. No MSFR, uma pequena fração do sal fundido é separada para processamento visando à remoção de produtos de fissão e, em seguida, devolvida ao reator. Isso confere aos MSFRs a capacidade de reprocessar o combustível sem interromper o funcionamento do reator. Isso é bastante diferente em comparação com reatores de combustível sólido, que exigem instalações separadas para fabricar o combustível sólido e reprocessar o combustível nuclear irradiado. O MSFR pode operar utilizando uma ampla variedade de composições de combustível devido ao seu controle de combustível em linha e processamento flexível de combustível.

O MSFR padrão seria um reator de 3.000 MW térmicos com um volume total de sal combustível de 18 m3 e uma temperatura média de combustível de 750 °C. A geometria do núcleo é um cilindro compacto com razão altura/diâmetro igual a 1, onde o sal combustível líquido de fluoreto escoa de baixo para cima. A circulação de retorno do sal, de cima para baixo, é dividida em 16 grupos de bombas e trocadores de calor localizados ao redor do núcleo. O sal combustível leva aproximadamente de 3 a 4 segundos para completar um ciclo completo. Em qualquer momento da operação, metade do volume total de sal combustível encontra-se no núcleo e o restante está no circuito de combustível externo (coletores de sal, separadores sal-bolha, trocadores de calor de combustível, bombas, injetores de sal e tubulações). Os MSFRs contêm um sistema de drenagem de emergência que é acionado por dispositivos redundantes e confiáveis, baseados em tecnologias de detecção e abertura rápida. Durante a operação, a velocidade de circulação do sal combustível pode ser ajustada pelo controle de potência das bombas em cada setor. A velocidade de circulação do fluido intermediário pode ser ajustada pelo controle de potência das bombas do circuito intermediário. A temperatura do fluido intermediário nos trocadores intermediários pode ser gerenciada por meio de um desvio duplo (bypass). Isso permite que a temperatura do fluido intermediário na entrada do trocador de conversão seja mantida constante enquanto sua temperatura é aumentada de forma controlada na entrada dos trocadores intermediários. A temperatura do núcleo pode ser ajustada variando-se a proporção de bolhas injetadas no núcleo, uma vez que isso reduz a densidade do sal. Como resultado, reduz-se a temperatura média do sal combustível. Normalmente, a temperatura do sal combustível pode ser reduzida em 100 °C usando-se uma proporção de 3% de bolhas. Os MSFRs têm dois modos de drenagem: drenagem rotineira controlada e drenagem de emergência. Durante a drenagem de rotina controlada, o sal combustível é transferido para tanques de armazenamento refrigerados ativamente. A temperatura do combustível pode ser reduzida antes da drenagem, o que pode tornar o processo mais lento. Esse tipo de drenagem pode ser realizado a cada 1 a 5 anos, quando os setores forem substituídos. A drenagem de emergência é realizada quando ocorre uma irregularidade durante a operação. O sal combustível pode ser drenado diretamente para o tanque de drenagem de emergência por dispositivos ativos ou por meios passivos. A drenagem deve ser rápida para limitar o aquecimento do sal combustível em um evento de perda de remoção de calor.

Reator de alta temperatura refrigerado a sal de fluoreto

O reator de alta temperatura refrigerado a sal de fluoreto (FHR), também chamado de reator avançado de alta temperatura (AHTR), é um tipo de reator refrigerado a sal fundido. O FHR utiliza um combustível sólido juntamente com um sal de fluoreto fundido como refrigerante.

O conceito foi proposto como o Reator Avançado de Alta Temperatura pelo ORNL em 2003. Após vários anos de desenvolvimento conceitual, o projeto do Reator de Alta Temperatura Refrigerado a Sal de Fluoreto com Leito de Esferas (PB-FHR) foi lançado pela Universidade da Califórnia em Berkeley em 2014. Esse projeto serviu então como base para o pequeno reator modular KP-FHR da Kairos Power. O conceito também está sendo explorado na China pelo Instituto de Física Aplicada de Xangai (SINAP) como parte do projeto TMSR.

Uma versão do reator de temperatura muito alta (VHTR) em estudo foi o reator de temperatura muito alta refrigerado a sal líquido (LS-VHTR). Ele utiliza sal líquido como refrigerante no circuito primário, em vez de um circuito único de hélio. O projeto baseia-se em combustível tridimensional isotrópico (TRISO) disperso em grafite. As primeiras pesquisas do AHTR concentraram-se no grafite na forma de varetas inseridas em blocos hexagonais moderadores de grafite, mas os estudos atuais focam principalmente em combustível do tipo leito de esferas (pebble-bed). O LS-VHTR pode operar em temperaturas muito elevadas (o ponto de ebulição da maioria dos sais candidatos é >1.400 °C); oferece refrigeração a baixa pressão compatível com as condições de instalações de produção de hidrogênio (a maioria dos ciclos termoquímicos exige temperaturas superiores a 750 °C); proporciona melhor eficiência de conversão elétrica do que um VHTR refrigerado a hélio operando em condições semelhantes; dispõe de sistemas de segurança nuclear passiva e maior retenção de produtos de fissão na ocorrência de acidentes.

Reator de tório com fluoreto líquido

Reatores contendo sal fundido de tório, denominados reatores de tório com fluoreto líquido (LFTR), aproveitam o ciclo do combustível de tório. Empresas privadas do Japão, Rússia, Austrália e Estados Unidos, bem como o governo chinês, manifestaram interesse no desenvolvimento dessa tecnologia.

Defensores estimam que quinhentas toneladas métricas de tório poderiam suprir as necessidades energéticas dos Estados Unidos durante um ano. O Serviço Geológico dos Estados Unidos calcula que a maior jazida conhecida de tório do país, o distrito de Lemhi Pass, na fronteira entre Montana e Idaho, contém reservas de 64.000 toneladas métricas de tório.

Tradicionalmente, esses reatores eram denominados reatores reprodutores de sal fundido (MSBRs) ou reatores de tório e sal fundido (TMSRs), mas a designação LFTR foi promovida como um reposicionamento de marca no início dos anos 2000 por Kirk Sorensen.

Reator de sal estável

O reator de sal estável é um conceito relativamente recente que retém o combustível de sal fundido de maneira estática dentro de pinos de combustível semelhantes aos dos LWRs tradicionais. O bombeamento do sal combustível e todos os problemas de corrosão, deposição, manutenção e contenção decorrentes da circulação de um fluido altamente radioativo, quente e quimicamente complexo deixam de existir. Os pinos de combustível são imersos em um sal de fluoreto não físsil separado, que atua como refrigerante primário.

Reatores de sal fundido de fluido duplo

Um exemplo prototípico de um reator de duplo fluido é o reator refrigerado a chumbo líquido com combustível em sal fundido.

História

Década de 1950

Aircraft Reactor Experiment (EUA)

Edifício do Aircraft Reactor Experiment no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL), posteriormente adaptado para o MSRE

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.

O ARE utilizou sal fluoreto fundido NaF/ZrF
4/UF
4 (53-41-6 mol%) como combustível, moderado por óxido de berílio (BeO). O sódio líquido atuava como refrigerante secundário.

O experimento atingiu uma temperatura de pico de 860 °C, gerando 100 MWh ao longo de nove dias em 1954. Esse experimento utilizou a liga Inconel 600 na estrutura metálica e nas tubulações.

Um MSR operou na Instalação de Experimentos Críticos do Laboratório Nacional de Oak Ridge em 1957. Fez parte do programa de reatores de combustível circulante da empresa aeronáutica Pratt & Whitney (PWAC), sendo denominado Pratt and Whitney Aircraft Reactor-1 (PWAR-1). O experimento operou por algumas semanas em potência praticamente nula, embora tenha atingido a criticalidade. A temperatura operacional foi mantida constante em aproximadamente 675 °C (1 250 °F). O PWAR-1 utilizou NaF/ZrF
4/UF
4 como combustível primário e refrigerante, constituindo um dos três únicos MSRs críticos já construídos.

Décadas de 1960 e 1970

MSRE em Oak Ridge (EUA)

Diagrama da instalação do MSRE: 1) Vaso do reator; 2) Trocador de calor; 3) Bomba de sal combustível; 4) Flange de congelamento; 5) Blindagem térmica; 6) Bomba de sal refrigerante; 7) Radiador; 8) Tanque de dreno do sal refrigerante; 9) Ventiladores; 10) Tanques de dreno do sal combustível; 11) Tanque de lavagem; 12) Vaso de contenção; 13) Válvula de congelamento do sal combustível

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/BeF
2/ZrF
4/UF
4 (65-29-5-1 mol%). O núcleo de grafite realizava a moderação. O refrigerante secundário era o FLiBe (2LiF · BeF
2). 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.

Projetos teóricos em Oak Ridge (EUA)

Reator reprodutor de sal fundido

De 1970 a 1976, o ORNL pesquisou o projeto de um reator reprodutor de sal fundido (MSBR). O combustível seria LiF/BeF
2/ThF
4/UF
4 (72-16-12-0,4 mol%) com moderador de grafite. O refrigerante secundário seria NaF/Na[BF
4]. Sua temperatura de operação de pico deveria atingir 705 °C (1 301 °F). O projeto previa uma programação de substituição do grafite a cada 4 anos. O programa de MSR foi encerrado no início dos anos 1970 em favor do reator rápido de reprodução refrigerado a metal líquido (LMFBR), após o que as pesquisas estagnaram nos Estados Unidos. Até 2011, o ARE e o MSRE permaneciam como os únicos reatores de sal fundido já operados na história.

O projeto MSBR recebeu financiamento entre 1968 e 1976 equivalente a 38,9 milhões de dólares de 1991.

Oficialmente, o programa foi cancelado pelos seguintes motivos:

  • O apoio político e técnico ao programa nos Estados Unidos apresentava distribuição geográfica excessivamente restrita. Dentro do território norte-americano, a tecnologia era plenamente dominada quase que exclusivamente em Oak Ridge.
  • O programa de MSR competia diretamente com o programa de reatores reprodutores rápidos da época, que havia começado mais cedo e contava com expressivos fundos de desenvolvimento governamentais, envolvendo contratos que beneficiavam diversas regiões do país. Quando o desenvolvimento do MSR avançou o suficiente para justificar um programa ampliado voltado à comercialização, a Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos (AEC) não encontrou justificativas para desviar verbas volumosas do LMFBR em prol de um projeto concorrente.
Reator desnaturado de sal fundido

O reator desnaturado de sal fundido (DMSR) foi um projeto teórico formulado em Oak Ridge que nunca chegou a ser construído.

Engel et al. (1980) afirmaram que o projeto "examinou a viabilidade conceitual de um reator de potência de sal fundido abastecido com urânio-235 desnaturado (ou seja, com urânio de baixo enriquecimento) e operado com um mínimo de processamento químico". A prioridade principal de projeto era a resistência à proliferação nuclear. Embora o DMSR possa teoricamente ser abastecido parcialmente com tório ou plutônio, a alimentação exclusiva com urânio de baixo enriquecimento (LEU) maximiza essa resistência à proliferação.

Outros objetivos do DMSR incluíam minimizar as demandas de pesquisa e desenvolvimento e maximizar a viabilidade imediata. O Fórum Internacional Geração IV (GIF) classifica o "processamento de sal" como uma lacuna tecnológica para os reatores de sal fundido. O projeto DMSR teoricamente requer processamento químico mínimo porque atua como reator queimador, em vez de reprodutor.

Reino Unido

O Estabelecimento de Pesquisa de Energia Atômica (AERE) do Reino Unido desenvolveu um projeto alternativo de MSR em seus laboratórios nacionais em Harwell, Culham, Risley e Winfrith. O AERE optou por se concentrar em um conceito de Reator Rápido de Sal Fundido (MSFR) de 2,5 GWe refrigerado a chumbo líquido e utilizando cloreto. Eles também pesquisaram o uso de gás hélio como refrigerante.

O MSFR britânico teria sido abastecido com plutônio, um combustível considerado "gratuito" pelos pesquisadores do programa em virtude do estoque existente de plutônio do Reino Unido.

Apesar das diferenças conceituais de seus projetos, o ORNL e o AERE mantiveram cooperação durante esse período, realizando intercâmbio de dados técnicos e visitas de especialistas. O trabalho teórico em torno do conceito ocorreu entre 1964 e 1966, enquanto o trabalho experimental transcorreu entre 1968 e 1973. O programa recebeu financiamento governamental anual de cerca de 100.000 a 200.000 libras (equivalente a 2 a 3 milhões de libras em valores de 2005). Esses recursos foram encerrados em 1974, em parte devido ao avanço do Reator Rápido Protótipo de Dounreay, que alcançou a criticalidade naquele mesmo ano e passou a ser tratado como prioridade absoluta.

União Soviética

Na União Soviética, um programa de pesquisa sobre reatores de sal fundido foi iniciado na segunda metade da década de 1970 no Instituto Kurchatov. O programa englobou investigações teóricas e experimentais, com foco particular no comportamento mecânico, corrosivo e radiológico dos materiais de contenção em contato com o sal fundido. As principais conclusões indicaram que não existiam entraves físicos ou tecnológicos intransponíveis para a implementação prática dos MSRs. Uma desaceleração expressiva das atividades ocorreu após 1986 em decorrência do acidente nuclear de Chernobil, acompanhando a estagnação geral da indústria nuclear soviética.

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.

Projetos comerciais, nacionais e internacionais

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.

A Terrestrial concluiu a primeira fase de revisão de pré-licenciamento com a Comissão Canadense de Segurança Nuclear em 2017, obtendo parecer regulatório formal de que as características de projeto são genericamente seguras para subsidiar a concessão futura de uma licença de construção.

A Moltex Energy Canada, subsidiária da empresa britânica Moltex Energy Ltd, obteve apoio da New Brunswick Power para desenvolver uma central piloto em Point Lepreau, no Canadá, contando com aporte financeiro da IDOM (empresa internacional de engenharia) e participando do processo de Revisão de Projeto de Fornecedor no Canadá. A usina utilizará a versão de queima de resíduos nucleares do projeto de reator de sal estável da empresa.

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.

Em 2021, o governo chinês informou que a operação do protótipo em Wuwei poderia iniciar a geração de energia a partir de tório em setembro daquele ano, com o protótipo suprindo eletricidade para cerca de 1.000 residências.

O avanço na construção de reatores comerciais foi anunciado com meta de conclusão para 2030. As autoridades chinesas planejam instalar reatores desse tipo em desertos e planícies do oeste do país, além de prever a exportação de até 30 unidades para nações participantes da iniciativa "Cinturão e Rota".

Em 2023, o reator de 2 MWt alcançou a criticalidade e, no final de 2024, foi reabastecido enquanto continuava em operação ininterrupta.

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.

A Seaborg Technologies desenvolve o núcleo para um reator compacto de sal fundido (CMSR). O CMSR é um reator térmico modular de sal único e alta temperatura projetado para atingir criticalidade com urânio de baixo enriquecimento disponível comercialmente. O projeto é modular e utiliza um moderador proprietário à base de hidróxido de sódio (NaOH). Estima-se que o núcleo do reator seja substituído a cada 12 anos. Durante a operação, o combustível não é substituído e é consumido ao longo de toda a vida útil de 12 anos da unidade. A primeira versão do núcleo da Seaborg foi dimensionada para gerar 250 MWth e 100 MWe de potência. Como usina de energia, o CMSR poderá fornecer eletricidade, água potável dessalinizada e aquecimento/resfriamento para cerca de 200.000 residências.

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.

Indonésia

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.

Japão

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.

Rússia

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.

Reino Unido

A Fundação Alvin Weinberg é uma organização sem fins lucrativos britânica fundada em 2011, voltada para a conscientização sobre o potencial energético do tório e dos reatores LFTR. A fundação foi formalmente apresentada na Câmara dos Lordes em 8 de setembro de 2011. Seu nome homenageia o físico nuclear norte-americano Alvin M. Weinberg, pioneiro nas pesquisas sobre reatores MSR a tório.

O projeto de reator de sal estável da Moltex Energy foi selecionado como o mais promissor entre seis projetos de MSR avaliados em um estudo de 2015 encomendado pela agência de inovação do governo britânico, a Innovate UK. O apoio estatal britânico permaneceu modesto, mas o braço britânico da empresa, a MoltexFLEX, lançou seu projeto modular FLEX em outubro de 2022.

Estados Unidos

O Laboratório Nacional de Idaho projetou um reator abastecido e refrigerado a sal fundido com potência estimada em 1.000 MWe.

Kirk Sorensen, ex-pesquisador da NASA e tecnólogo nuclear chefe na Teledyne Brown Engineering, atua como proeminente promotor do ciclo do combustível de tório, tendo cunhado a denominação liquid fluoride thorium reactor. Em 2011, Sorensen fundou a empresa Flibe Energy.

A Transatomic Power desenvolveu o conceito do reator de sal fundido aniquilador de resíduos (WAMSR), concebido para queimar combustível nuclear irradiado existente, operando de 2011 até encerrar as atividades comerciais em 2018, abrindo os dados de suas pesquisas em regime de código aberto.

Em janeiro de 2016, o Departamento de Energia dos Estados Unidos anunciou um fundo de investimento de 80 milhões de dólares para impulsionar projetos de reatores de Geração IV. Uma das beneficiadas, a Southern Company, utilizou o aporte financeiro para desenvolver o reator rápido de cloreto fundido (MCFR), uma modalidade de MSR originalmente concebida no Reino Unido.

Em 2021, a Tennessee Valley Authority (TVA) e a Kairos Power formalizaram a construção de um reator experimental de demonstração de 140 MW elétricos, com combustível TRISO e refrigerado a sal de fluoreto de baixa pressão, a ser construído em Oak Ridge, no Tennessee. A licença de construção do reator foi outorgada pela Comissão Reguladora Nuclear dos Estados Unidos (NRC) em 2023. O projeto tem eficiência operacional estimada em 45%, temperatura de saída de 650 °C (1 202 °F) e pressão de vapor de 19 MPa. A estrutura metálica utiliza aço inoxidável 316, o combustível possui enriquecimento a 19,75% e a dissipação de calor pós-desligamento opera de maneira passiva. Em fevereiro de 2024, o DOE e a Kairos Power celebraram um Acordo de Investimento em Tecnologia de 303 milhões de dólares para apoiar as etapas de engenharia, construção e comissionamento, estabelecendo remunerações atreladas ao cumprimento de metas contratuais.

Também em 2021, a Southern Company, em parceria com a TerraPower e o Departamento de Energia dos EUA, anunciou planos para construir o Experimento do Reator de Cloreto Fundido (MCRE), o primeiro reator de sal de espectro rápido, nas instalações do Laboratório Nacional de Idaho.

A Universidade Cristã de Abilene (ACU) solicitou à NRC uma licença de construção para um reator de pesquisa de sal fundido (MSRR) de 1 MW térmico, a ser instalado em seu campus em Abilene, no Texas, como parte do laboratório NEXT (Nuclear Energy eXperimental Testing). A ACU planeja que o MSRR atinja criticalidade até dezembro de 2025. A universidade recebeu mais de duas toneladas de sal FLiB para a carga do reator em setembro de 2026.

Ver também

Notas e referências

Notas

  1. ↑ "Os produtos de fissão (exceto Xe e Kr) e os materiais nucleares são altamente solúveis no sal e permanecerão no sal sob condições operacionais e de acidentes previstos. Os produtos de fissão que não são solúveis (ex.: Xe, Kr) são continuamente removidos do sal combustível fundido, solidificados, acondicionados e colocados em cofres de armazenamento refrigerados passivamente." — Dr. Charles W. Forsberg.
  2. ↑ O TMSR-500, um reator de tório com fluoreto líquido, opera a uma pressão de 3 atmosferas e temperaturas de 550 a 700 °C. Nesse projeto, os subprodutos de fissão gasosos Xe e Kr são separados por arraste gasoso (sparge) de hélio para tanques de retenção, onde sua radioatividade decai após cerca de uma semana. O hélio é reciclado.

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Leitura adicional

Ligações externas