Reator pressurizado de água pesada - Pressurized heavy-water reactor

Um reator de água pesada pressurizada ( PHWR ) é um reator nuclear que usa água pesada ( óxido de deutério D 2 O) como seu refrigerante e moderador de nêutrons . Os PHWRs freqüentemente usam urânio natural como combustível, mas às vezes também usam urânio enriquecido muito baixo . O refrigerante de água pesado é mantido sob pressão para evitar ebulição, permitindo que atinja temperaturas mais altas (principalmente) sem formar bolhas de vapor, exatamente como no reator de água pressurizada . Embora seja muito caro isolar água pesada da água comum (frequentemente referida como água leve em contraste com a água pesada ), sua baixa absorção de nêutrons aumenta muito a economia de nêutrons do reator, evitando a necessidade de combustível enriquecido . O alto custo da água pesada é compensado pelo menor custo do uso de urânio natural e / ou ciclos de combustível alternativo . No início de 2001, 31 PHWRs estavam em operação, com uma capacidade total de 16,5 GW (e), representando cerca de 7,76% em número e 4,7% em capacidade de geração de todos os atuais reatores em operação.

Objetivo de usar água pesada

A chave para manter uma reação em cadeia nuclear dentro de um reator nuclear é usar, em média, exatamente um dos nêutrons liberados de cada evento de fissão nuclear para estimular outro evento de fissão nuclear (em outro núcleo fissionável). Com um projeto cuidadoso da geometria do reator e controle cuidadoso das substâncias presentes de modo a influenciar a reatividade , uma reação em cadeia autossustentável ou " criticidade " pode ser alcançada e mantida.

Urânio natural é constituído por uma mistura de vários isótopos , principalmente 238 L e uma muito menor quantidade (cerca de 0,72% em peso) de 235 L . 238 U só pode ser fissionado por nêutrons que são relativamente energéticos, cerca de 1 MeV ou mais. Nenhuma quantidade de 238 U pode ser considerada "crítica", pois tende a absorver parasiticamente mais nêutrons do que libera pelo processo de fissão. O 235 U, por outro lado, pode suportar uma reação em cadeia autossustentada, mas devido à baixa abundância natural de 235 U, o urânio natural não pode atingir a criticidade por si mesmo.

O truque para atingir a criticidade usando apenas urânio natural ou pouco enriquecido, para o qual não há massa crítica "nua" , é desacelerar os nêutrons emitidos (sem absorvê-los) até o ponto em que um número suficiente deles possa causar mais fissão nuclear no pequena quantidade de 235 U que está disponível. ( 238 U que é a maior parte do urânio natural também é fissionável com nêutrons rápidos.) Isso requer o uso de um moderador de nêutrons , que absorve virtualmente toda a energia cinética dos nêutrons , desacelerando-os até o ponto em que atinjam o equilíbrio térmico com material circundante. Foi descoberto que é benéfico para a economia de nêutrons separar fisicamente o processo de moderação de energia de nêutrons do próprio combustível de urânio, já que o 238 U tem uma alta probabilidade de absorver nêutrons com níveis intermediários de energia cinética, uma reação conhecida como absorção de "ressonância". Esta é uma razão fundamental para projetar reatores com segmentos separados de combustível sólido, rodeados pelo moderador, ao invés de qualquer geometria que daria uma mistura homogênea de combustível e moderador.

A água é um excelente moderador; os átomos comuns de hidrogênio ou prótio nas moléculas de água têm massa muito próxima de um único nêutron e, portanto, suas colisões resultam em uma transferência de momento muito eficiente, semelhante conceitualmente à colisão de duas bolas de bilhar. No entanto, além de ser um bom moderador, a água comum também é bastante eficaz na absorção de nêutrons. E assim, usar água comum como moderador absorverá facilmente tantos nêutrons que sobram muito poucos para sustentar uma reação em cadeia com os pequenos núcleos 235 U isolados no combustível, evitando assim a criticidade no urânio natural. Por causa disso, um reator de água leve exigirá que o isótopo 235 U seja concentrado em seu combustível de urânio, como urânio enriquecido , geralmente entre 3% a 5% de 235 U em peso (o subproduto desse processo de enriquecimento é conhecido como urânio empobrecido e, portanto, consistindo principalmente de 238 U, quimicamente puro). O grau de enriquecimento necessário para atingir a criticidade com um moderador de água leve depende da geometria exata e de outros parâmetros de projeto do reator.

Uma complicação dessa abordagem é a necessidade de instalações de enriquecimento de urânio, que geralmente são caras de construir e operar. Eles também apresentam uma preocupação com a proliferação nuclear ; os mesmos sistemas usados ​​para enriquecer o 235 U também podem ser usados ​​para produzir muito mais material "puro" para armas (90% ou mais 235 U), adequado para a produção de armas nucleares . Este não é um exercício trivial de forma alguma, mas viável o suficiente para que as instalações de enriquecimento apresentem um risco significativo de proliferação nuclear.

Uma solução alternativa para o problema é usar um moderador que não absorva nêutrons tão prontamente quanto a água. Neste caso potencialmente todos os neutrões sendo libertados podem ser moderadas e usado em reacções com o 235 L, no caso em que não é suficiente 235 L em urânio natural para sustentar criticalidade. Um desses moderadores é a água pesada , ou óxido de deutério. Embora reaja dinamicamente com os nêutrons de maneira semelhante à água leve (embora com menos transferência de energia em média, dado que o hidrogênio pesado, ou deutério , tem cerca de duas vezes a massa do hidrogênio), ele já tem o nêutron extra que a água leve teria normalmente tendem a absorver.

Vantagens e desvantagens

O uso de água pesada como moderador é a chave do sistema PHWR (reator de água pesada pressurizada), possibilitando o uso de urânio natural como combustível (na forma de UO 2 cerâmico ), o que significa que pode ser operado sem custos instalações de enriquecimento de urânio. O arranjo mecânico do PHWR, que coloca a maior parte do moderador em temperaturas mais baixas, é particularmente eficiente porque os nêutrons térmicos resultantes são "mais térmicos" do que em projetos tradicionais, onde o moderador normalmente é muito mais quente. Essas características significam que um PHWR pode usar urânio natural e outros combustíveis, e o faz de forma mais eficiente do que os reatores de água leve (LWRs).

Os reatores pressurizados de água pesada têm algumas desvantagens. A água pesada geralmente custa centenas de dólares por quilograma, embora isso seja uma compensação contra os custos de combustível reduzidos. O conteúdo reduzido de energia do urânio natural, em comparação com o urânio enriquecido, exige uma substituição mais frequente de combustível; isso normalmente é realizado pelo uso de um sistema de reabastecimento com energia. O aumento da taxa de movimento do combustível através do reator também resulta em maiores volumes de combustível irradiado do que em LWRs que utilizam urânio enriquecido. Como o combustível de urânio não enriquecido acumula uma densidade menor de produtos de fissão do que o combustível de urânio enriquecido, ele gera menos calor, permitindo um armazenamento mais compacto.

Enquanto com feixes de combustível derivados de CANDU típicos , o projeto do reator tem um coeficiente de reatividade de vazio ligeiramente positivo , os feixes de combustível CARA projetados na Argentina usados ​​em Atucha I são capazes do coeficiente negativo preferido.

Proliferação nuclear

Os reatores de água pesada podem representar um risco maior de proliferação nuclear em comparação com os reatores de água leve comparáveis devido às propriedades de baixa absorção de nêutrons da água pesada, descobertas em 1937 por Hans von Halban e Otto Frisch. Ocasionalmente, quando um átomo de 238 U é exposto a radiação de neutrões , seu núcleo irá capturar um nêutron , mudando-o para 239 U . O 239 U então sofre rapidamente dois decaimentos β - ambos emitindo um elétron e um antineutrino , o primeiro transmutando o 239 U em 239 Np e o segundo transmutando o 239 Np em 239 Pu . Embora esse processo ocorra com outros moderadores, como grafite ultra-puro ou berílio, a água pesada é de longe a melhor.

239 Pu é um material físsil adequado para uso em armas nucleares . Como resultado, se o combustível de um reator de água pesada for trocado com frequência, quantidades significativas de plutônio para armas podem ser extraídas quimicamente do combustível de urânio natural irradiado por reprocessamento nuclear .

Além disso, o uso de água pesada como moderador resulta na produção de pequenas quantidades de trítio quando os núcleos de deutério na água pesada absorvem nêutrons, uma reação muito ineficiente. O trítio é essencial para a produção de armas de fissão reforçada , que por sua vez permitem a produção mais fácil de armas termonucleares , incluindo bombas de nêutrons . Atualmente, espera-se que esse processo forneça (pelo menos parcialmente) trítio para o ITER .

O risco de proliferação de reatores de água pesada foi demonstrado quando a Índia produziu o plutônio para a Operação Buda Sorridente , seu primeiro teste de arma nuclear, por extração do combustível usado de um reator de pesquisa de água pesada conhecido como reator CIRUS .

Veja também

Referências

links externos