Reator rápido resfriado com chumbo - Lead-cooled fast reactor

Esquema de reator rápido refrigerado a chumbo.

O reator rápido resfriado com chumbo é um projeto de reator nuclear que apresenta um espectro de nêutrons rápido e chumbo derretido ou refrigerante eutético de chumbo-bismuto . Chumbo derretido ou chumbo-bismuto eutético podem ser usados ​​como o refrigerante primário porque o chumbo e o bismuto têm baixa absorção de nêutrons e pontos de fusão relativamente baixos . Os nêutrons são menos lentos pela interação com esses núcleos pesados ​​(portanto, não sendo moderadores de nêutrons ) e, portanto, ajudam a tornar esse tipo de reator um reator de nêutrons rápidos . O refrigerante, entretanto, serve como um refletor de nêutrons , retornando alguns nêutrons que escapam ao núcleo. Projetos de combustível sendo explorados para este esquema de reator incluem urânio fértil como um metal, óxido de metal ou nitreto de metal . Reatores rápidos resfriados com chumbo de menor capacidade (como SSTAR ) podem ser resfriados por convecção natural , enquanto projetos maiores (como ELSY) usam circulação forçada em operação normal de energia, mas com resfriamento de emergência por circulação natural. A temperatura do refrigerante de saída do reator está tipicamente na faixa de 500 a 600 ° C, possivelmente variando acima de 800 ° C com materiais avançados para projetos posteriores. As temperaturas acima de 800 ° C são altas o suficiente para suportar a produção termoquímica de hidrogênio por meio do ciclo de enxofre-iodo .

O conceito é geralmente muito semelhante ao reator rápido refrigerado a sódio , e a maioria dos reatores de metal líquido usa sódio em vez de chumbo. Poucos reatores resfriados com chumbo foram construídos, exceto alguns reatores submarinos nucleares soviéticos na década de 1970, mas uma série de novos projetos de reatores nucleares propostos são resfriados com chumbo.

O projeto do reator resfriado com chumbo foi proposto como um reator de geração IV . Os planos para a implementação futura deste tipo de reator incluem arranjos modulares classificados em 300 a 400 MWe, e uma grande planta monolítica avaliada em 1.200 MWe.

Reatores nucleares modulares

As opções incluem uma gama de classificações de usinas, incluindo unidades de 50 a 150 MWe (megawatts elétricos) com núcleos pré-fabricados de longa vida.

A bateria do reator rápido resfriada com chumbo é uma pequena usina de energia do tipo turnkey que usa núcleos de cassete operando em um ciclo de combustível fechado com intervalo de reabastecimento de 15 a 20 anos ou módulos de reator totalmente substituíveis. Ele é projetado para geração de eletricidade em pequenas redes (e outros recursos, incluindo hidrogênio e água potável ).

Vantagens

  • Em vez de reabastecer, todo o núcleo pode ser substituído após muitos anos de operação. Esse reator é adequado para países que não planejam construir sua própria infraestrutura nuclear.
  • Como nenhuma eletricidade é necessária para o resfriamento após o desligamento, este projeto tem o potencial de ser mais seguro do que um reator refrigerado a água.
  • Os sistemas de chumbo-bismuto líquido não podem causar uma explosão e solidificar rapidamente em caso de vazamento, melhorando ainda mais a segurança.
  • O chumbo é muito denso e, portanto, um bom escudo contra os raios gama .
  • As propriedades nucleares do chumbo permitem evitar um coeficiente de vazio positivo , que é difícil de prevenir em grandes núcleos de reator rápido de sódio .
  • A pressão de operação é muito baixa e o chumbo tem um ponto de ebulição extremamente alto de 1.750 graus Celsius, que é 1100 graus Celsius mais alto do que o pico da temperatura operacional do refrigerante. Isso torna a pressurização significativa do reator por superaquecimento virtualmente impossível.
  • O chumbo não reage significativamente com a água ou o ar, ao contrário do sódio, que queima facilmente no ar e pode explodir em contato com a água. Isso permite uma contenção mais fácil, barata e segura e um projeto de trocador de calor / gerador de vapor.

Desvantagens

  • O chumbo e o chumbo-bismuto são muito densos, aumentando o peso do sistema, portanto, exigindo mais suporte estrutural e proteção sísmica, o que aumenta o custo de construção.
  • Embora o chumbo seja barato e abundante, o bismuto é caro e bastante raro. Um reator de chumbo-bismuto pode exigir centenas de toneladas de bismuto, dependendo do tamanho do reator.
  • A solidificação da solução de chumbo-bismuto torna o reator inoperante. No entanto, chumbo-bismuto eutético tem uma temperatura de fusão comparativamente baixa de 123,5 ° C (254,3 ° F), tornando a dessolidificação uma tarefa relativamente fácil de realizar. O chumbo tem um ponto de fusão mais alto de 327,5 ° C, mas é freqüentemente usado como um reator do tipo piscina, onde a maior parte do chumbo não congela facilmente.
  • Ao vazar e solidificar, o refrigerante pode danificar o equipamento (consulte o submarino soviético K-64 ).
  • O chumbo-bismuto produz uma quantidade considerável de polônio , um elemento altamente radioativo e bastante móvel. Isso pode complicar a manutenção e representar um problema de contaminação da planta. O chumbo produz ordens de magnitudes menos polônio e, portanto, tem uma vantagem sobre o chumbo-bismuto nesse aspecto.

Implementação

Rússia / URSS

Dois tipos de reator rápido resfriado com chumbo foram usados ​​nos submarinos da classe Alfa soviéticos da década de 1970. Os designs OK-550 e BM-40A foram ambos capazes de produzir 155 MWt. Eles eram significativamente mais leves do que os reatores refrigerados a água típicos e tinham a vantagem de serem capazes de alternar rapidamente entre os modos de operação de potência máxima e mínimo de ruído.

Uma joint venture chamada AKME Engineering foi anunciada em 2010 para desenvolver um reator comercial de chumbo-bismuto. O SVBR-100 ('Svintsovo-Vismutovyi Bystryi Reaktor' - reator rápido de chumbo-bismuto) é baseado nos projetos Alfa e produzirá 100 MWe de eletricidade a partir de uma potência térmica bruta de 280 MWt, cerca de duas vezes a dos reatores submarinos. Eles também podem ser usados ​​em grupos de até 16 se mais energia for necessária. O refrigerante aumenta de 345 ° C (653 ° F) para 495 ° C (923 ° F) conforme passa pelo núcleo. O óxido de urânio enriquecido com 16,5% de U-235 poderia ser usado como combustível e o reabastecimento seria necessário a cada 7–8 anos. Um protótipo está planejado para 2017.

Outros dois reatores resfriados a chumbo são desenvolvidos pelos russos: BREST-300 e BREST-1200. O projeto do BREST-300 foi concluído em setembro de 2014.

WNA menciona o papel da Rússia em aumentar o interesse de outros países neste campo:

Em 1998, a Rússia desclassificou muitas informações de pesquisa derivadas de sua experiência com reatores submarinos, e o interesse dos Estados Unidos em usar Pb ou Pb-Bi para reatores pequenos aumentou subsequentemente.

Propostas e em desenvolvimento

Bélgica

O projeto MYRRHA (para Reator de pesquisa híbrido multifuncional para aplicações de alta tecnologia ) é um projeto pioneiro de um reator nuclear acoplado a um acelerador de prótons (chamado sistema acionado por acelerador (ADS) ). Este será um 'reator rápido resfriado por chumbo-bismuto' com duas configurações possíveis: subcrítico ou crítico. O projeto é administrado pelo SCK • CEN , o centro belga de energia nuclear. Será construído com base em um primeiro demonstrador de sucesso: GUINEVERE . O projeto entrou em uma nova fase de desenvolvimento em 2013, quando um contrato para o projeto de engenharia de front-end foi adjudicado a um consórcio liderado pela Areva. MYRRHA goza de reconhecimento internacional e foi listada em dezembro de 2010 pela Comissão Europeia como um dos 50 projetos para manter a liderança europeia em pesquisa de alta tecnologia nos próximos 20 anos.


Estados Unidos

De acordo com a Nuclear Engineering International, o projeto inicial do Hyperion Power Module era para ser desse tipo, usando combustível de nitreto de urânio envolto em tubos HT-9, usando um refletor de quartzo e chumbo-bismuto eutético como refrigerante.

O Laboratório Nacional Lawrence Livermore desenvolveu o SSTAR é um projeto refrigerado a chumbo.

Alemanha

O reator dual fluido (DFR) é um projeto alemão que combina as vantagens do reator de sal fundido com as do reator refrigerado a metal líquido . Como um reator reprodutor, o DFR pode queimar urânio natural e tório, bem como reciclar lixo nuclear. Devido à alta condutividade térmica do metal fundido, o DFR é um reator inerentemente seguro (o calor de decaimento pode ser removido passivamente).

Rússia

O BREST_ (reator) está em construção

Veja também

Referências

links externos