Reator de tório de fluoreto líquido - Liquid fluoride thorium reactor

Veja também: Energia nuclear baseada em tório

Sal FLiBe líquido

O reator de fluoreto líquido de tório ( LFTR ; muitas vezes pronunciado levantador ) é um tipo de reator de sal fundido . Os LFTRs usam o ciclo de combustível de tório com um sal líquido fundido à base de flúor como combustível. Em um projeto típico, o líquido é bombeado entre um núcleo crítico e um trocador de calor externo, onde o calor é transferido para um sal secundário não radioativo. O sal secundário então transfere seu calor para uma turbina a vapor ou turbina a gás de ciclo fechado .

Reatores alimentados com sal fundido (MSRs) fornecem o combustível nuclear misturado a um sal fundido. Eles não devem ser confundidos com projetos que usam um sal fundido apenas para resfriamento (reatores de fluoreto de alta temperatura, FHRs) e ainda têm um combustível sólido. Os reatores de sal fundido, como uma classe, incluem queimadores e reprodutores em espectros rápidos ou térmicos, usando combustíveis à base de sais de flúor ou cloreto e uma variedade de consumíveis físseis ou férteis. LFTRs são definidos pelo uso de sais de combustível de fluoreto e a transformação de tório em urânio-233 no espectro de nêutrons térmicos.

O conceito de LFTR foi investigado pela primeira vez no Experimento de Reator de Sal Fundido do Oak Ridge National Laboratory na década de 1960, embora o MSRE não usasse tório. O LFTR foi recentemente objeto de um interesse renovado em todo o mundo. Japão, China, Reino Unido e empresas privadas dos EUA, Tcheca, Canadá e Austrália expressaram a intenção de desenvolver e comercializar a tecnologia.

Os LFTRs diferem de outros reatores de potência em quase todos os aspectos: eles usam tório que é transformado em urânio, em vez de usar urânio diretamente; eles são reabastecidos por bombeamento sem desligamento. Seu refrigerante de sal líquido permite uma temperatura de operação mais alta e uma pressão muito mais baixa no circuito de resfriamento primário. Essas características distintas dão origem a muitas vantagens potenciais, bem como desafios de design.

Fundo

O tório é relativamente abundante na crosta terrestre .
Minúsculos cristais de torita , um mineral de tório , sob ampliação.
Reator de sal fundido em Oak Ridge

Em 1946, oito anos após a descoberta da fissão nuclear , três isótopos físseis foram publicamente identificados para uso como combustível nuclear :

Th-232, U-235 e U-238 são nuclídeos primordiais , tendo existido em sua forma atual por mais de 4,5 bilhões de anos , anteriores à formação da Terra ; eles foram forjados nos núcleos de estrelas moribundas através do processo r e espalhados pela galáxia por supernovas . Sua decomposição radioativa produz cerca de metade do calor interno da Terra .

Por razões técnicas e históricas, cada um dos três está associado a diferentes tipos de reatores. O U-235 é o combustível nuclear primário do mundo e geralmente é usado em reatores de água leve . O U-238 / Pu-239 encontrou maior uso em reatores reprodutores rápidos de sódio líquido e Reatores CANDU . Th-232 / U-233 é mais adequado para reatores de sal fundido (MSR).

Alvin M. Weinberg foi o pioneiro no uso do MSR no Oak Ridge National Laboratory . No ORNL, dois reatores protótipos de sal fundido foram projetados, construídos e operados com sucesso. Estes foram o Aircraft Reactor Experiment em 1954 e o Molten-Salt Reactor Experiment de 1965 a 1969. Ambos os reatores de teste usaram sais de combustível de fluoreto líquido. O MSRE demonstrou notavelmente o abastecimento com U-233 e U-235 durante testes separados. Weinberg foi afastado de seu posto e o programa MSR foi encerrado no início dos anos 1970, após o que a pesquisa estagnou nos Estados Unidos. Hoje, o ARE e o MSRE continuam sendo os únicos reatores de sal fundido já operados.

Noções básicas de reprodução

Artigo principal: reator criador

Em um reator de energia nuclear , existem dois tipos de combustível. O primeiro é o material físsil , que se divide quando atingido por nêutrons , liberando uma grande quantidade de energia e também liberando dois ou três novos nêutrons. Eles podem dividir mais material físsil, resultando em uma reação em cadeia contínua. Exemplos de combustíveis físseis são U-233, U-235 e Pu-239. O segundo tipo de combustível é denominado fértil . Exemplos de combustível fértil são Th-232 (tório extraído) e U-238 (urânio extraído). Para se tornarem físseis, esses nuclídeos devem primeiro absorver um nêutron que foi produzido no processo de fissão, para se tornarem Th-233 e U-239, respectivamente. Após dois decaimentos beta sequenciais , eles se transmutam em isótopos físseis U-233 e Pu-239, respectivamente. Este processo é chamado de melhoramento.

Todos os reatores geram algum combustível dessa maneira, mas os reatores térmicos de combustível sólido de hoje não geram combustível novo suficiente do fértil para compensar a quantidade de material físsil que consomem. Isso ocorre porque os reatores de hoje usam o ciclo de urânio-plutônio extraído em um espectro de nêutrons moderado. Esse ciclo de combustível, usando nêutrons desacelerados, devolve menos de 2 novos nêutrons da fissão do plutônio criado. Visto que 1 nêutron é necessário para sustentar a reação de fissão, isso deixa um orçamento de menos de 1 nêutron por fissão para gerar novo combustível. Além disso, os materiais do núcleo, como metais, moderadores e produtos de fissão, absorvem alguns nêutrons, deixando poucos nêutrons para gerar combustível suficiente para continuar operando o reator. Como consequência, eles devem adicionar novo combustível físsil periodicamente e trocar um pouco do combustível antigo para abrir espaço para o novo.

Em um reator que gera pelo menos a mesma quantidade de combustível novo que consome, não é necessário adicionar novo combustível físsil. Apenas um novo combustível fértil é adicionado, que se reproduz para a físsil dentro do reator. Além disso, os produtos da fissão precisam ser removidos. Este tipo de reator é denominado reator reprodutor . Se ele procriar tanto novo físsil de fértil para continuar operando indefinidamente, é chamado de criador de equilíbrio ou isobreeder. Um LFTR é geralmente projetado como um reator reprodutor: o tório entra, os produtos da fissão saem.

Reatores que usam o ciclo de combustível urânio-plutônio requerem reatores rápidos para sustentar a reprodução, porque apenas com nêutrons em movimento rápido o processo de fissão fornece mais de 2 nêutrons por fissão. Com o tório, é possível cruzar usando um reator térmico . Isso foi comprovado para funcionar na Central de Energia Atômica Shippingport , cuja carga final de combustível gerou um pouco mais físsil do tório do que consumiu, apesar de ser um reator de água leve bastante padrão . Os reatores térmicos requerem menos combustível físsil caro para iniciar, mas são mais sensíveis aos produtos de fissão deixados no núcleo.

Existem duas maneiras de configurar um reator reprodutor para fazer a reprodução necessária. Pode-se colocar o combustível fértil e físsil juntos, de modo que a reprodução e a divisão ocorrem no mesmo lugar. Alternativamente, físsil e fértil podem ser separados. Este último é conhecido como núcleo e manta, porque um núcleo físsil produz o calor e os nêutrons, enquanto uma manta separada faz toda a reprodução.

Variações do projeto do sistema primário do reator

Oak Ridge investigou as duas maneiras de fazer um reprodutor para seu reator reprodutor de sal derretido. Como o combustível é líquido, eles são chamados de reatores de sal fundido de tório de "fluido único" e "dois fluidos".

Reator de fluido único

Esquema simplificado de um único reator de fluido.

O projeto de um fluido inclui um grande vaso de reator preenchido com sal de fluoreto contendo tório e urânio. Os bastões de grafite imersos no sal funcionam como moderadores e orientam o fluxo do sal. No projeto ORNL MSBR (reator reprodutor de sal fundido), uma quantidade reduzida de grafite perto da borda do núcleo do reator tornaria a região externa sub-moderada e aumentaria a captura de nêutrons lá pelo tório. Com este arranjo, a maioria dos nêutrons foi gerada a alguma distância do limite do reator e reduziu o vazamento de nêutrons a um nível aceitável. Ainda assim, um único projeto de fluido precisa de um tamanho considerável para permitir a reprodução.

Em uma configuração de reprodutor, o processamento extensivo de combustível foi especificado para remover produtos de fissão do sal de combustível. Em uma configuração de conversor, o requisito de processamento de combustível foi simplificado para reduzir o custo da planta. A desvantagem era a necessidade de reabastecimento periódico de urânio.

O MSRE era um reator protótipo da região central. O MSRE forneceu valiosa experiência operacional de longo prazo. De acordo com estimativas de cientistas japoneses, um único programa de LFTR de fluido poderia ser alcançado por meio de um investimento relativamente modesto de cerca de 300-400 milhões de dólares em 5-10 anos para financiar pesquisas para preencher lacunas técnicas menores e construir um pequeno protótipo de reator comparável ao MSRE .

Reator de dois fluidos

O projeto de dois fluidos é mecanicamente mais complicado do que o projeto do reator de "fluido único". O reator de "dois fluidos" tem um núcleo de alta densidade de nêutrons que queima urânio-233 do ciclo de combustível de tório . Uma camada separada de sal de tório absorve nêutrons e lentamente converte seu tório em protactínio-233 . O protactínio-233 pode ser deixado na região do cobertor, onde o fluxo de nêutrons é menor, de modo que decai lentamente em combustível físsil U-233, em vez de capturar nêutrons. Este U-233 físsil criado pode ser recuperado pela injeção de flúor adicional para criar hexafluoreto de urânio, um gás que pode ser capturado à medida que sai da solução. Uma vez reduzido a tetrafluoreto de urânio, um sólido, pode ser misturado ao meio de sal do núcleo para a fissão. O sal do núcleo também é purificado, primeiro por fluoração para remover o urânio e, em seguida, por destilação a vácuo para remover e reutilizar os sais transportadores. O ainda Bottoms esquerda após a destilação são os produtos de fissão desperdício de uma LFTR.

As vantagens de separar o fluido do núcleo e da manta incluem:

  1. Processamento de combustível simples . O tório é quimicamente semelhante a vários produtos de fissão, chamados lantanídeos . Com o tório em um cobertor separado, o tório é mantido isolado dos lantanídeos. Sem tório no fluido central, a remoção dos produtos da fissão dos lantanídeos é simplificada.
  2. Baixo estoque físsil . Como o combustível físsil está concentrado em um fluido de núcleo pequeno, o núcleo do reator real é mais compacto. Não há material físsil no cobertor externo que contenha o combustível fértil para reprodução, exceto aquele que foi criado ali. Por causa disso, o projeto do ORNL de 1968 exigiu apenas 315 quilogramas de materiais físseis para iniciar um reator MSBR de dois fluidos de 250 MW (e). Isso reduz o custo da carga inicial de partida físsil e permite que mais reatores sejam iniciados com qualquer quantidade de material físsil.
  3. Criação mais eficiente . A manta de tório pode capturar efetivamente nêutrons vazados da região central. Há quase nenhuma fissão ocorrendo no cobertor, então o cobertor em si não vaza um número significativo de nêutrons. Isso resulta em uma alta eficiência de uso de nêutrons (economia de nêutrons) e uma taxa de reprodução mais alta, especialmente com reatores pequenos.

Um ponto fraco do projeto de dois fluidos é a necessidade de substituir periodicamente a barreira da manta do núcleo devido ao dano rápido de nêutrons. ORNL escolheu grafite como seu material de barreira por causa de sua baixa absorção de nêutrons , compatibilidade com os sais fundidos, resistência a alta temperatura e força e integridade suficientes para separar o combustível e os sais de manta. O efeito da radiação de nêutrons sobre o grafite é encolher lentamente e, em seguida, aumentá-lo, causando um aumento na porosidade e uma deterioração nas propriedades físicas. Os tubos de grafite mudariam de comprimento e podem rachar e vazar.

Outra fraqueza do projeto de dois fluidos é seu encanamento complexo. ORNL pensou que uma intercalação complexa de tubos de núcleo e manta era necessária para atingir um alto nível de potência com densidade de potência aceitavelmente baixa. ORNL optou por não perseguir o projeto de dois fluidos, e nenhum exemplo do reator de dois fluidos foi construído.

No entanto, pesquisas mais recentes questionaram a necessidade do complexo tubo de grafite intercalado do ORNL, sugerindo um reator tubo-em-shell alongado simples que permitiria alta potência de saída sem tubulação complexa, acomodaria a expansão térmica e permitiria a substituição do tubo. Além disso, o grafite pode ser substituído por ligas com alto teor de molibdênio, que são usadas em experimentos de fusão e têm maior tolerância a danos por nêutrons.

Reator híbrido "um e meio fluido"

Um reator de dois fluidos que tem tório no sal de combustível é algumas vezes chamado de reator de "um fluido e meio" ou reator de 1,5 fluido. Este é um híbrido, com algumas das vantagens e desvantagens de 1 fluido e 2 reatores de fluido. Como o reator de fluido 1, tem tório no sal combustível, o que complica o processamento do combustível. E ainda, como o reator de 2 fluidos, ele pode usar uma manta separada altamente eficaz para absorver nêutrons que vazam do núcleo. A desvantagem adicional de manter os fluidos separados usando uma barreira permanece, mas com tório presente no sal de combustível, há menos nêutrons que devem passar por esta barreira para o fluido de cobertura. Isso resulta em menos danos à barreira. Qualquer vazamento na barreira também teria consequências menores, pois o sistema de processamento já deve lidar com o tório no núcleo.

A principal questão de projeto ao decidir entre um e meio ou dois LFTR de fluido é se um reprocessamento mais complicado ou uma barreira estrutural mais exigente será mais fácil de resolver.

Desempenho nuclear calculado de conceitos de design MSBR de 1000-MW (e)
Conceito de design Razão de reprodução Inventário físsil
Único fluido, vida útil de grafite de 30 anos, processamento de combustível 1.06 2300 kg
Fluido único, vida útil de grafite de 4 anos, processamento de combustível 1.06 1500 kg
1.5 fluido, núcleo substituível, processamento de combustível 1.07 900 kg
Dois fluidos, núcleo substituível, processamento de combustível 1.07 700 kg

Geração de energia

Um LFTR com uma alta temperatura operacional de 700 graus Celsius pode operar com uma eficiência térmica na conversão de calor em eletricidade de 45%. Isso é mais alto do que os atuais reatores de água leve (LWRs), que têm uma eficiência térmica de 32 a 36% para elétrica. Além da geração de eletricidade , a energia térmica concentrada do LFTR de alta temperatura pode ser usada como calor de processo industrial de alto grau para muitos usos, como produção de amônia com o processo Haber ou produção de hidrogênio térmico por divisão de água, eliminando a perda de eficiência de primeiro convertendo-se em eletricidade.

Ciclo de Rankine

Ciclo a vapor Rankine
Artigo principal: Ciclo de Rankine

O ciclo de Rankine é o ciclo de energia termodinâmico mais básico. O ciclo mais simples consiste em um gerador de vapor , uma turbina, um condensador e uma bomba. O fluido de trabalho geralmente é água. Um sistema de conversão de energia Rankine acoplado a um LFTR poderia tirar proveito do aumento da temperatura do vapor para melhorar sua eficiência térmica . O ciclo de vapor Rankine subcrítico é atualmente usado em usinas de energia comerciais, com as usinas mais novas utilizando ciclos de vapor Rankine supercríticos de temperatura mais alta, pressão mais alta. O trabalho do ORNL das décadas de 1960 e 1970 no MSBR assumiu o uso de uma turbina a vapor supercrítica padrão com uma eficiência de 44%, e fez um trabalho considerável de projeto no desenvolvimento de geradores de vapor de sal de fluoreto fundido.

Ciclo de brayton

Esquema de turbina a gás de ciclo fechado
Artigo principal: Ciclo de Brayton

O gerador de ciclo Brayton ocupa muito menos espaço do que o ciclo Rankine, tem custo mais baixo e maior eficiência térmica, mas requer temperaturas de operação mais altas. Portanto, é particularmente adequado para uso com um LFTR. O gás de trabalho pode ser hélio, nitrogênio ou dióxido de carbono. O gás quente de baixa pressão é resfriado em um refrigerador ambiente. O gás frio de baixa pressão é comprimido para a alta pressão do sistema. O gás de trabalho de alta pressão é expandido em uma turbina para produzir energia. Freqüentemente, a turbina e o compressor são conectados mecanicamente por meio de um único eixo. Espera-se que os ciclos de Brayton de alta pressão tenham uma pegada de gerador menor em comparação com os ciclos de Rankine de pressão mais baixa. Um motor térmico de ciclo Brayton pode operar em pressão mais baixa com tubulação de diâmetro mais amplo. O primeiro módulo de energia solar de ciclo Brayton comercial do mundo (100 kW) foi construído e demonstrado no deserto de Arava, em Israel, em 2009.

Remoção de produtos de fissão

O LFTR precisa de um mecanismo para remover os produtos da fissão do combustível. Os produtos da fissão deixados no reator absorvem nêutrons e, portanto, reduzem a economia de nêutrons . Isso é especialmente importante no ciclo de combustível de tório com poucos nêutrons sobressalentes e um espectro de nêutrons térmicos, onde a absorção é forte. O requisito mínimo é recuperar o valioso material físsil do combustível usado.

A remoção de produtos de fissão é semelhante ao reprocessamento de elementos de combustível sólido; por meios químicos ou físicos, o valioso combustível físsil é separado dos resíduos de produtos da fissão. Idealmente, o combustível fértil (tório ou U-238) e outros componentes do combustível (por exemplo, sal de transporte ou revestimento de combustível em combustíveis sólidos) também podem ser reutilizados para novo combustível. No entanto, por razões econômicas, eles também podem acabar no lixo.

O processamento no local é planejado para funcionar continuamente, limpando uma pequena fração do sal todos os dias e enviando-o de volta ao reator. Não há necessidade de tornar o sal do combustível muito limpo; o objetivo é manter a concentração de produtos da fissão e outras impurezas (por exemplo, oxigênio) suficientemente baixa. As concentrações de alguns dos elementos de terras raras devem ser mantidas especialmente baixas, pois eles têm uma grande seção transversal de absorção. Alguns outros elementos com uma pequena seção transversal, como Cs ou Zr, podem se acumular ao longo dos anos de operação antes de serem removidos.

Como o combustível de um LFTR é uma mistura de sal fundido, é atraente usar métodos de piroprocessamento e alta temperatura trabalhando diretamente com o sal fundido quente. O piroprocessamento não usa solventes sensíveis à radiação e não é facilmente perturbado pelo calor de decomposição. Pode ser usado com combustível altamente radioativo diretamente do reator. Ter a separação química no local, próximo ao reator, evita o transporte e mantém baixo o estoque total do ciclo do combustível. O ideal é que tudo, exceto combustível novo (tório) e resíduos (produtos de fissão), permaneça dentro da planta.

Uma vantagem potencial de um combustível líquido é que ele não só facilita a separação de produtos de fissão do combustível, mas também isola produtos de fissão individuais uns dos outros, o que é lucrativo para isótopos que são escassos e em alta demanda para vários industriais (fontes de radiação para testar soldas por meio de radiografia), agrícolas (esterilização de produtos por irradiação) e usos médicos ( molibdênio-99 que se decompõe em tecnécio-99m , um corante radiomarcado valioso para marcar células cancerosas em exames médicos).

Detalhes por grupo de elemento

Os metais mais nobres ( Pd , Ru , Ag , Mo , Nb , Sb , Tc ) não formam fluoretos no sal normal, mas sim partículas metálicas coloidais finas . Eles podem chapear em superfícies de metal como o trocador de calor ou, de preferência, em filtros de alta área de superfície, que são mais fáceis de substituir. Ainda assim, há alguma incerteza sobre onde eles terminam, já que o MSRE forneceu apenas uma experiência operacional relativamente curta e experimentos de laboratório independentes são difíceis.

Gases como Xe e Kr saem facilmente com um jato de hélio. Além disso, alguns dos metais "nobres" são removidos como um aerossol . A remoção rápida do Xe-135 é particularmente importante, pois é um veneno de nêutron muito forte e torna o controle do reator mais difícil se não for removido; isso também melhora a economia de nêutrons. O gás (principalmente He, Xe e Kr) é retido por cerca de 2 dias até que quase todo o Xe-135 e outros isótopos de vida curta tenham decaído. A maior parte do gás pode então ser reciclada. Após uma espera adicional de vários meses, a radioatividade é baixa o suficiente para separar o gás em baixas temperaturas em hélio (para reutilização), xenônio (para venda) e criptônio, que precisa de armazenamento (por exemplo, na forma comprimida) por um longo tempo (vários décadas) para esperar a decadência do Kr-85 .

Para limpar a mistura de sal, vários métodos de separação química foram propostos. Comparado ao reprocessamento PUREX clássico , o piroprocessamento pode ser mais compacto e produzir menos resíduos secundários. Os piroprocessos do sal LFTR já começam com uma forma líquida adequada, por isso pode ser mais barato do que usar combustíveis de óxido sólido. No entanto, como nenhuma planta completa de reprocessamento de sal fundido foi construída, todos os testes foram limitados ao laboratório, e com apenas alguns elementos. Ainda há mais pesquisa e desenvolvimento necessários para melhorar a separação e tornar o reprocessamento mais economicamente viável.

O urânio e alguns outros elementos podem ser removidos do sal por um processo denominado volatilidade do flúor: um jato de flúor remove os fluoretos voláteis de alta valência na forma de gás. Este é principalmente hexafluoreto de urânio , contendo o combustível de urânio-233, mas também hexafluoreto de neptúnio , hexafluoreto de tecnécio e hexafluoreto de selênio , bem como fluoretos de alguns outros produtos da fissão (por exemplo, iodo, molibdênio e telúrio). Os fluoretos voláteis podem ser posteriormente separados por adsorção e destilação. O manuseio de hexafluoreto de urânio está bem estabelecido no enriquecimento. Os fluoretos de valência mais alta são bastante corrosivos em altas temperaturas e requerem materiais mais resistentes do que o Hastelloy. Uma sugestão do programa MSBR no ORNL era usar sal solidificado como camada protetora. No reator MSRE, a volatilidade do flúor foi usada para remover o urânio do sal combustível. Também para uso com elementos de combustível sólido, a volatilidade do flúor é bastante bem desenvolvida e testada.

Outro método simples, testado durante o programa MSRE, é a destilação a vácuo de alta temperatura. Os fluoretos de ponto de ebulição mais baixo, como o tetrafluoreto de urânio e os sal de transporte de LiF e BeF, podem ser removidos por destilação. Sob vácuo, a temperatura pode ser inferior ao ponto de ebulição à pressão ambiente. Portanto, uma temperatura de cerca de 1000 ° C é suficiente para recuperar a maior parte do sal transportador FLiBe. No entanto, embora possível em princípio, a separação do fluoreto de tório dos fluoretos de lantaneto de ponto de ebulição ainda mais alto exigiria temperaturas muito altas e novos materiais. A separação química para os projetos de 2 fluidos, usando urânio como combustível físsil, pode funcionar com esses dois processos relativamente simples: O urânio do sal de cobertura pode ser removido pela volatilidade do flúor e transferido para o sal do núcleo. Para remover os produtos físseis do sal do núcleo, primeiro o urânio é removido por meio da volatilidade do flúor. Em seguida, o sal transportador pode ser recuperado por destilação em alta temperatura. Os fluoretos com alto ponto de ebulição, incluindo os lantanídeos, ficam para trás como resíduos.

Separações opcionais de protactínio-233

Os primeiros projetos de química de Oak Ridge não se preocupavam com a proliferação e eram voltados para a reprodução rápida. Eles planejavam separar e armazenar o protactínio-233 , para que pudesse se transformar em urânio-233 sem ser destruído pela captura de nêutrons no reator. Com meia-vida de 27 dias, 2 meses de armazenamento garantiriam que 75% do 233 Pa decaía para 233 U de combustível. A etapa de remoção do protactínio não é necessária per se para um LFTR. Soluções alternativas estão operando em uma densidade de potência mais baixa e, portanto, um estoque físsil maior (para 1 ou 1,5 fluido) ou uma manta maior (para 2 fluidos). Além disso, um espectro de nêutrons mais duro ajuda a alcançar uma reprodução aceitável sem isolamento de protactínio.

Se a separação de Pa for especificada, isso deve ser feito com bastante frequência (por exemplo, a cada 10 dias) para ser eficaz. Para uma planta de 1 GW e 1 fluido, isso significa que cerca de 10% do combustível ou cerca de 15 t de sal de combustível precisam passar por reprocessamento todos os dias. Isso só é viável se os custos forem muito menores do que os custos atuais de reprocessamento de combustível sólido.

Projetos mais novos geralmente evitam a remoção de Pa e enviam menos sal para o reprocessamento, o que reduz o tamanho necessário e os custos para a separação química. Também evita preocupações com a proliferação devido ao U-233 de alta pureza que pode estar disponível a partir da decomposição do Pa separado por produtos químicos.

A separação é mais difícil se os produtos da fissão forem misturados com tório, porque tório, plutônio e os lantanídeos (elementos de terras raras) são quimicamente semelhantes. Um processo sugerido tanto para a separação do protactínio quanto para a remoção dos lantanídeos é o contato com o bismuto fundido . Em uma reação redox, alguns metais podem ser transferidos para o fundido de bismuto em troca de lítio adicionado ao fundido de bismuto. Em baixas concentrações de lítio, U, Pu e Pa movem-se para o derretimento de bismuto. Em condições mais redutoras (mais lítio no fundido de bismuto), os lantanídeos e o tório também se transferem para o fundido de bismuto. Os produtos da fissão são então removidos da liga de bismuto em uma etapa separada, por exemplo, por contato com um fundido LiCl. No entanto, este método é muito menos desenvolvido. Um método semelhante também pode ser possível com outros metais líquidos como o alumínio.

Vantagens

Os reatores de sal fundido alimentados com tório oferecem muitas vantagens potenciais em comparação com os reatores convencionais de água leve alimentados com urânio sólido:

Segurança

  • Segurança inerente . Projetos LFTR usam um forte coeficiente de reatividade de temperatura negativa para alcançar segurança inerente passiva contra excursões de reatividade. A dependência da temperatura vem de 3 fontes. A primeira é que o tório absorve mais nêutrons se superaquecer, o chamado efeito Doppler. Isso deixa menos nêutrons para continuar a reação em cadeia, reduzindo a potência. A segunda parte é o aquecimento do moderador de grafite, que costuma contribuir positivamente para o coeficiente de temperatura. O terceiro efeito tem a ver com a expansão térmica do combustível. Se o combustível superaquecer, ele se expande consideravelmente, o que, devido à natureza líquida do combustível, empurrará o combustível para fora da região do núcleo ativo. Em um núcleo pequeno (por exemplo, o reator de teste MSRE) ou bem moderado, isso reduz a reatividade. No entanto, em um núcleo grande e sub-moderado (por exemplo, o projeto ORNL MSBR), menos sal de combustível significa melhor moderação e, portanto, mais reatividade e um coeficiente de temperatura positivo indesejável.
  • Refrigerante estável . Os fluoretos fundidos são quimicamente estáveis ​​e impermeáveis ​​à radiação. Os sais não queimam, explodem ou se decompõem, mesmo sob alta temperatura e radiação. Não há reações violentas rápidas com a água e o ar que o refrigerante de sódio produz. Não há produção de hidrogênio combustível que os refrigerantes de água têm. No entanto, o sal não é estável à radiação em temperaturas baixas (menos de 100 C) devido à radiólise .
  • Operação de baixa pressão . Como os sais do líquido refrigerante permanecem líquidos em altas temperaturas, os núcleos LFTR são projetados para operar a baixas pressões, como 0,6 MPa (comparável à pressão no sistema de água potável) da bomba e da pressão hidrostática. Mesmo se o núcleo falhar, haverá pouco aumento de volume. Assim, o edifício de contenção não pode explodir. Os sais de refrigeração LFTR são escolhidos para terem pontos de ebulição muito altos. Mesmo um aquecimento de várias centenas de graus durante um transiente ou acidente não causa um aumento significativo de pressão. Não há água ou hidrogênio no reator que possa causar um grande aumento de pressão ou explosão, como aconteceu durante o acidente nuclear de Fukushima Daiichi .
  • Sem aumento de pressão devido à fissão . Os LFTRs não estão sujeitos ao aumento de pressão de produtos de fissão gasosos e voláteis . O combustível líquido permite a remoção online de produtos da fissão gasosa, como o xenônio, para processamento, assim, esses produtos de decomposição não se espalhariam em um desastre. Além disso, os produtos de fissão são quimicamente ligados ao sal de fluoreto, incluindo iodo, césio e estrôncio, capturando a radiação e evitando a propagação de material radioativo para o meio ambiente.
  • Mais fácil de controlar . Um reator de combustível fundido tem a vantagem de fácil remoção de xenônio-135. O Xenon-135 , um importante absorvedor de nêutrons , torna os reatores de combustível sólido difíceis de controlar. Em um reator alimentado por combustível fundido, o xenônio 135 pode ser removido. Em reatores de combustível sólido, o xenônio 135 permanece no combustível e interfere no controle do reator.
  • Aquecimento lento . O líquido de arrefecimento e o combustível são inseparáveis, portanto, qualquer vazamento ou movimento de combustível será intrinsecamente acompanhado por uma grande quantidade de líquido de arrefecimento. Os fluoretos fundidos têm alta capacidade volumétrica de calor , alguns como FLiBe , ainda maior do que a água. Isso permite que eles absorvam grandes quantidades de calor durante transientes ou acidentes.
  • Resfriamento por calor de decomposição passiva . Muitos projetos de reatores (como o do Experimento de Reator de Sal Fundido ) permitem que a mistura combustível / refrigerante escape para um tanque de drenagem, quando o reator não está funcionando (consulte "Núcleo à prova de falhas" abaixo). Este tanque é planejado para ter algum tipo (os detalhes ainda estão em aberto) de remoção de calor por decomposição passiva, contando assim com propriedades físicas (ao invés de controles) para operar.
  • Núcleo à prova de falhas . Os LFTRs podem incluir um plugue de congelamento na parte inferior que deve ser resfriado ativamente, geralmente por um pequeno ventilador elétrico. Se o resfriamento falhar, digamos por causa de uma falha de energia, o ventilador para, o plugue derrete e o combustível é drenado para uma instalação de armazenamento com resfriamento passivo subcrítico . Isso não apenas para o reator, mas também o tanque de armazenamento pode mais facilmente liberar o calor de decomposição da curta vida radioativa dos combustíveis nucleares irradiados. Mesmo no caso de um grande vazamento do núcleo, como a quebra de um tubo, o sal se espalhará na sala em forma de pia da cozinha em que o reator está, o que drenará o sal do combustível por gravidade para o tanque de despejo resfriado passivamente.
  • Resíduos menos duradouros . Os LFTRs podem reduzir drasticamente a radiotoxicidade de longo prazo de seus resíduos do reator. Os reatores de água leve com combustível de urânio têm um combustível com mais de 95% de U-238. Esses reatores normalmente transmutam parte do U-238 em Pu-239, um isótopo de vida longa. Quase todo o combustível está, portanto, a apenas um passo de se tornar um elemento transurânico de vida longa. O plutônio-239 tem meia-vida de 24.000 anos e é o transurânico mais comum no combustível nuclear usado de reatores de água leve. Transurânicos como o Pu-239 causam a percepção de que os resíduos do reator são um problema eterno . Em contraste, o LFTR usa o ciclo de combustível de tório , que transmuta o tório em U-233. Como o tório é um elemento mais leve, mais capturas de nêutrons são necessárias para produzir os elementos transurânicos. O U-233 tem duas chances de fissão em um LFTR. Primeiro como U-233 (90% irá fissão) e então os 10% restantes têm outra chance, pois transmuta para U-235 (80% irá fissão). A fração do combustível que atinge o neptúnio-237, o elemento transurânico mais provável , é, portanto, de apenas 2%, cerca de 15 kg por GWe-ano. Esta é uma produção transurânica 20x menor que os reatores de água leve, que produzem 300 kg de transurânicos por GWe-ano. É importante ressaltar que, por causa dessa produção transurânica muito menor, é muito mais fácil reciclar os transurânicos. Ou seja, eles são enviados de volta ao núcleo para, eventualmente, fissão. Os reatores operando no ciclo de combustível U238-plutônio produzem muito mais transurânicos, tornando a reciclagem completa difícil tanto nos neutrônicos do reator quanto no sistema de reciclagem. No LFTR, apenas uma fração de um por cento, como perdas de reprocessamento, vai para o lixo final. Quando esses dois benefícios de menor produção transurânica e reciclagem são combinados, um ciclo de combustível de tório reduz a produção de resíduos transurânicos em mais de mil vezes em comparação com um reator de água leve alimentado por urânio de passagem única convencional . O único resíduo significativo de vida longa é o próprio urânio combustível, mas este pode ser usado indefinidamente por meio da reciclagem, sempre gerando eletricidade.
    Se a fase de tório tiver que ser desligada, parte dos reatores pode ser desligada e seu estoque de urânio combustível queimado nos reatores restantes, permitindo uma extração até mesmo desse resíduo final para um nível tão pequeno quanto a sociedade exige. O LFTR ainda produz produtos de fissão radioativos em seus resíduos, mas eles não duram muito - a radiotoxicidade desses produtos de fissão é dominada por césio-137 e estrôncio-90 . A meia-vida mais longa é o césio: 30,17 anos. Assim, após 30,17 anos, a decadência reduz a radioatividade pela metade. Dez meias-vidas reduzirão a radioatividade em duas elevadas a uma potência de dez, um fator de 1.024. Os produtos da fissão naquele ponto, em cerca de 300 anos, são menos radioativos do que o urânio natural. Além disso, o estado líquido do material combustível permite a separação dos produtos de fissão não apenas do combustível, mas também uns dos outros, o que permite que sejam classificados pelo comprimento da meia-vida de cada produto de fissão, de modo que os com meias-vidas mais curtas podem ser retirados do armazenamento mais cedo do que aqueles com meias-vidas mais longas.
  • Resistência à proliferação . Em 2016, o físico ganhador do Nobel, Dr. Carlo Rubbia , ex-diretor-geral do CERN , afirmou que uma das principais razões para os Estados Unidos cortar a pesquisa do reator de tório na década de 1970 é o que o torna tão atraente hoje: o tório é difícil de ser transformado em uma arma nuclear .
    O LFTR resiste ao desvio de seu combustível para armas nucleares de quatro maneiras: primeiro, o tório-232 se reproduz convertendo-se primeiro em protactínio-233, que então se decompõe em urânio-233. Se o protactínio permanecer no reator, pequenas quantidades de U-232 também são produzidas. O U-232 tem um produto de cadeia de decomposição (tálio-208) que emite raios gama poderosos e perigosos. Isso não é um problema dentro de um reator, mas em uma bomba, eles complicam a fabricação da bomba, danificam a eletrônica e revelam a localização da bomba. A segunda característica resistente à proliferação vem do fato de que os LFTRs produzem muito pouco plutônio, cerca de 15 kg por gigawatt-ano de eletricidade (esta é a produção de um único grande reator ao longo de um ano). Este plutônio também é principalmente Pu-238, o que o torna inadequado para a construção de bombas de fissão, devido ao alto calor e à emissão espontânea de nêutrons. A terceira faixa, um LFTR não faz muito combustível sobressalente. Ele produz no máximo 9% mais combustível do que queima a cada ano, e é ainda mais fácil projetar um reator que produza apenas 1% a mais de combustível. Com este tipo de reator, construir bombas rapidamente deixará as usinas fora de operação, e esta é uma indicação fácil das intenções nacionais. E, finalmente, o uso de tório pode reduzir e, eventualmente, eliminar a necessidade de enriquecimento de urânio. O enriquecimento de urânio é um dos dois métodos principais pelos quais os estados obtêm materiais para a fabricação de bombas.

Economia e eficiência

Comparação das necessidades anuais de combustível e produtos residuais de uma usina LWR alimentada com urânio de 1 GW e uma usina LFTR alimentada com tório de 1 GW.
  • Abundância de tório. Um LFTR transforma o tório em combustível de urânio-233. A crosta terrestre contém cerca de três a quatro vezes mais tório do que o U-238 (o tório é quase tão abundante quanto o chumbo ). É um subproduto da mineração de terras raras, normalmente descartado como resíduo. Usando LFTRs, há tório acessível suficiente para satisfazer as necessidades globais de energia por centenas de milhares de anos. O tório é mais comum na crosta terrestre do que o estanho, o mercúrio ou a prata. Um metro cúbico de crosta média rende o equivalente a cerca de quatro cubos de açúcar de tório, o suficiente para suprir as necessidades de energia de uma pessoa por mais de dez anos, se totalmente fissurado. Estima-se que a passagem de Lemhi na fronteira Montana - Idaho contenha 1.800.000 toneladas de minério de tório de alto teor. Quinhentas toneladas poderiam suprir todas as necessidades de energia dos Estados Unidos por um ano. Devido à falta de demanda atual, o governo dos EUA devolveu cerca de 3.200 toneladas métricas de nitrato de tório refinado à crosta, enterrando-o no deserto de Nevada.
  • Não há escassez de recursos naturais . Outros recursos naturais suficientes, como berílio, lítio, níquel e molibdênio, estão disponíveis para construir milhares de LFTRs.
  • Eficiência do reator. Os reatores convencionais consomem menos de um por cento do urânio extraído, deixando o resto como resíduo. Com o reprocessamento funcionando perfeitamente, o LFTR pode consumir até cerca de 99% de seu combustível de tório. A maior eficiência de combustível significa que 1 tonelada de tório natural em um LFTR produz tanta energia quanto 35 t de urânio enriquecido em reatores convencionais (exigindo 250 t de urânio natural), ou 4.166.000 toneladas de carvão preto em uma usina de carvão.
  • Eficiência termodinâmica. LFTRs operando com turbinas a vapor supercríticas modernas operariam com 45% de eficiência térmica para elétrica. Com futuros ciclos de Brayton a gás fechados, que poderiam ser usados ​​em uma usina LFTR devido à sua operação em alta temperatura, a eficiência poderia ser de até 54%. Isso é 20 a 40% maior do que os reatores de água leve de hoje (33%), resultando na mesma redução de 20 a 40% no consumo de combustível físsil e fértil, produtos de fissão produzidos, rejeição de calor residual para resfriamento e energia térmica do reator.
  • Sem enriquecimento e fabricação de elemento de combustível. Uma vez que 100% do tório natural pode ser usado como combustível, e o combustível está na forma de um sal fundido em vez de barras de combustível sólido, o enriquecimento de combustível caro e procedimentos de validação de barras de combustível sólido e processos de fabricação não são necessários. Isso diminui muito os custos de combustível LFTR. Mesmo que o LFTR seja inicializado com urânio enriquecido, ele só precisa desse enriquecimento uma vez para começar. Após a inicialização, nenhum enriquecimento adicional é necessário.
  • Custo de combustível mais baixo. Os sais são razoavelmente baratos em comparação com a produção de combustível sólido. Por exemplo, embora o berílio seja bastante caro por kg, a quantidade de berílio necessária para um grande reator de 1 GWe é muito pequena. O MSBR do ORNL exigiu 5,1 toneladas de metal berílio, como 26 toneladas de BeF 2 . A um preço de $ 147 / kg BeF 2 , esse estoque custaria menos de $ 4 milhões, um custo modesto para uma usina de energia multibilionária. Conseqüentemente, um aumento no preço do berílio acima do nível assumido aqui tem pouco efeito no custo total da usina. O custo do lítio-7 enriquecido é menos certo, de US $ 120–800 / kg LiF. e um estoque (novamente com base no sistema MSBR) de 17,9 toneladas de lítio-7, já que 66,5 toneladas de LiF geram entre $ 8 milhões e $ 53 milhões para o LiF. Adicionar 99,1 toneladas de tório a US $ 30 / kg adiciona apenas US $ 3 milhões. O material físsil é mais caro, especialmente se for usado plutônio reprocessado caro, a um custo de $ 100 por grama de plutônio físsil. Com uma carga físsil inicial de apenas 1,5 toneladas, possibilitada pelo espectro de nêutrons macios, isso chega a US $ 150 milhões. Somando tudo, o custo total da cobrança única de combustível é de US $ 165 a US $ 210 milhões. Isso é semelhante ao custo de um primeiro núcleo para um reator de água leve. Dependendo dos detalhes do reprocessamento, o estoque de sal pode durar décadas, enquanto o LWR precisa de um núcleo completamente novo a cada 4 a 6 anos (1/3 é substituído a cada 12 a 24 meses). A própria estimativa do ORNL para o custo total do sal, mesmo do sistema de 3 loops mais caro, foi de cerca de US $ 30 milhões, o que é menos de US $ 100 milhões no dinheiro de hoje.
  • LFTRs são mais limpos: como um sistema de reciclagem completa, os resíduos de descarga de um LFTR são predominantemente produtos de fissão, a maioria dos quais (83%) têm meia-vida relativamente curta em horas ou dias em comparação com resíduos de actinídeo de vida mais longa de usinas nucleares convencionais. Isso resulta em uma redução significativa no período de contenção de resíduos necessário em um repositório geológico. Os 17% restantes dos produtos residuais requerem apenas 300 anos para atingir os níveis de fundo. A radiotoxicidade dos resíduos do ciclo de combustível de tório é cerca de 10.000 vezes menor do que a de um combustível de urânio.
  • Menos combustível físsil necessário . Como os LFTRs são reatores de espectro térmico, eles precisam de muito menos combustível físsil para começar. Apenas 1–2 toneladas de material físsil são necessárias para iniciar um único LFTR de fluido, e potencialmente tão baixo quanto 0,4 ton para um projeto de dois fluidos. Em comparação, os reatores reprodutores rápidos de combustível sólido precisam de pelo menos 8 toneladas de combustível físsil para iniciar o reator. Embora os reatores rápidos possam, teoricamente, iniciar muito bem com os resíduos transurânicos, sua inicialização com alto teor de combustível físsil torna isso muito caro.
  • Sem tempo de inatividade para reabastecimento. Os LFTRs têm combustíveis líquidos e, portanto, não há necessidade de desligar e desmontar o reator apenas para reabastecê-lo. Os LFTRs podem, portanto, reabastecer sem causar queda de energia ( reabastecimento online ).
  • Carregue a seguir. Como o LFTR não possui envenenamento por xenônio, não há problema em reduzir a potência em momentos de baixa demanda de eletricidade e religar a qualquer momento.
  • Nenhum vaso de alta pressão. Como o núcleo não é pressurizado, ele não precisa do item mais caro em um reator de água leve, um vaso de reator de alta pressão para o núcleo. Em vez disso, há um vaso de baixa pressão e tubos (para sal fundido) construídos com materiais relativamente finos. Embora o metal seja uma liga de níquel exótica que resiste ao calor e à corrosão, Hastelloy -N, a quantidade necessária é relativamente pequena.
  • Excelente transferência de calor. Os sais de fluoreto líquido, especialmente os sais à base de LiF, têm boas propriedades de transferência de calor. O sal combustível, como o LiF-ThF 4, tem uma capacidade de calor volumétrica cerca de 22% superior à da água, enquanto o FLiBe tem uma capacidade de calor cerca de 12% superior à da água. Além disso, os sais à base de LiF têm uma condutividade térmica cerca de duas vezes maior que a da água quente pressurizada em um reator de água pressurizada. Isso resulta em transferência de calor eficiente e um circuito primário compacto. Em comparação com o hélio , um refrigerante de reator de alta temperatura concorrente, a diferença é ainda maior. O sal combustível tem capacidade volumétrica de calor 200 vezes maior do que o hélio pressurizado a quente e mais de 3 vezes a condutividade térmica. Um circuito de sal fundido usará tubulação de 1/5 do diâmetro e bombeia 1/20 da potência daquelas necessárias para o hélio de alta pressão, enquanto permanece na pressão atmosférica
  • Contenção menor de baixa pressão. Usando sal líquido como refrigerante em vez de água pressurizada, uma estrutura de contenção apenas ligeiramente maior do que o vaso do reator pode ser usada. Os reatores de água leve usam água pressurizada, que se transforma em vapor e se expande mil vezes em caso de vazamento, exigindo um edifício de contenção mil vezes maior em volume do que o vaso do reator. A contenção LFTR não pode ser apenas menor em tamanho físico, sua contenção também é inerentemente baixa pressão. Não há fontes de energia armazenada que possam causar um rápido aumento de pressão (como hidrogênio ou vapor) na contenção. Isso dá ao LFTR uma vantagem teórica substancial não apenas em termos de segurança inerente, mas também em termos de tamanho menor, menor uso de materiais e menor custo de construção.
  • De resíduos a recursos. Há sugestões de que pode ser possível extrair alguns dos produtos da fissão para que tenham valor comercial separado. No entanto, em comparação com a energia produzida, o valor dos produtos da fissão é baixo e a purificação química é cara.
  • Mineração eficiente. O processo de extração de tório da crosta terrestre é um método de mineração muito mais seguro e eficiente do que o de urânio. O minério de tório, monazita, geralmente contém concentrações mais altas de tório do que a porcentagem de urânio encontrada em seu respectivo minério. Isso torna o tório uma fonte de combustível mais econômica e menos prejudicial ao meio ambiente. A mineração de tório também é mais fácil e menos perigosa do que a mineração de urânio, pois a mina é a céu aberto, que não requer ventilação, como as minas subterrâneas de urânio, onde os níveis de radônio são potencialmente prejudiciais .

Desvantagens

Os LFTRs são bastante diferentes dos reatores de energia comercial em operação de hoje. Essas diferenças criam dificuldades de design e compensações:

  • Ainda não há produção em grande escala - Um estudo de 2014 da Universidade de Chicago concluiu que, uma vez que este projeto ainda não atingiu a fase comercial, todas as vantagens econômicas não serão obtidas sem as vantagens da produção em grande escala: "Embora a economia de custos da subestação estão associados à construção de um LFTR em comparação com uma planta de urânio tradicional, a diferença de custo, dado o ambiente atual da indústria [a partir de 2014], permanece insuficiente para justificar a criação de um novo LFTR "
  • Atingir a criação de equilíbrio é questionável - Embora os planos geralmente incluam a criação de equilíbrio, é questionável se isso é possível, quando outros requisitos devem ser atendidos. O ciclo de combustível de tório tem muito poucos nêutrons sobressalentes. Devido ao reprocessamento químico limitado (por razões econômicas) e aos compromissos necessários para atingir os requisitos de segurança, como um coeficiente de vazio negativo, muitos nêutrons podem ser perdidos. Projetos de fluidos únicos propostos antigos que prometem desempenho de reprodução tendem a ter um coeficiente de vazio positivo inseguro e muitas vezes pressupõem que a limpeza excessiva de combustível seja economicamente viável.
  • Ainda há muito desenvolvimento necessário - Apesar dos reatores experimentais ARE e MSRE já construídos na década de 1960, ainda há muito desenvolvimento necessário para o LFTR. Isso inclui a maior parte da separação química, resfriamento de emergência (passivo), barreira de trítio, manutenção operada remotamente, produção de Li-7 em grande escala, ciclo de energia de alta temperatura e materiais mais duráveis.
  • Combustível inicial - ao contrário do urânio extraído, o tório extraído não tem um isótopo físsil. Os reatores de tório geram urânio-233 físsil do tório, mas requerem uma pequena quantidade de material físsil para a inicialização. Existe relativamente pouco deste material disponível. Isso levanta o problema de como iniciar os reatores em um curto espaço de tempo. Uma opção é produzir o U-233 nos reatores de combustível sólido atuais e, em seguida, reprocessá-lo a partir dos resíduos sólidos. Um LFTR também pode ser iniciado por outros isótopos físseis, urânio enriquecido ou plutônio de reatores ou bombas desativadas. Para inicialização de urânio enriquecido, alto enriquecimento é necessário. As bombas de urânio desativadas têm enriquecimento suficiente, mas não está disponível o suficiente para iniciar muitos LFTRs. É difícil separar o fluoreto de plutônio dos produtos da fissão dos lantanídeos. Uma opção para um reator de dois fluidos é operar com plutônio ou urânio enriquecido no sal combustível, espalhar o U-233 na manta e armazená-lo em vez de devolvê-lo ao núcleo. Em vez disso, adicione plutônio ou urânio enriquecido para continuar a reação em cadeia, semelhante aos reatores de combustível sólido de hoje. Quando U-233 suficiente for gerado, substitua o combustível por um novo, mantendo o U-233 para outras partidas. Uma opção semelhante existe para um reator de fluido único operando como um conversor. Esse reator não reprocessaria o combustível durante a operação. Em vez disso, o reator começaria com plutônio com tório como fértil e adicionaria plutônio. O plutônio eventualmente queima e o U-233 é produzido in situ . No final da vida útil do combustível do reator, o sal do combustível usado pode ser reprocessado para recuperar o U-233 criado para iniciar novos LFTRs.
  • Congelamento de sais - As misturas de sais fluoretados têm pontos de fusão que variam de 300 a 600 ° C (572 a 1.112 ° F). Os sais, especialmente aqueles com fluoreto de berílio, são muito viscosos perto de seu ponto de congelamento. Isso requer um projeto cuidadoso e proteção contra congelamento nos trocadores de calor e contenção. O congelamento deve ser evitado em operação normal, durante transientes e durante longos períodos de inatividade. O sal do circuito primário contém os produtos da fissão geradores de calor da decomposição, que ajudam a manter a temperatura necessária. Para o MSBR, o ORNL planejou manter toda a sala do reator (a célula quente) em alta temperatura. Isso evitou a necessidade de linhas individuais de aquecedor elétrico em todas as tubulações e forneceu um aquecimento mais uniforme dos componentes do circuito primário. Um conceito de "forno líquido" desenvolvido para reatores de combustível sólido resfriados com sal fundido emprega um pool de sal tampão separado contendo todo o circuito primário. Devido à alta capacidade de calor e à densidade considerável do sal de buffer, o sal de buffer evita o congelamento do sal de combustível e participa do sistema de resfriamento por calor de decomposição passiva, fornece proteção contra radiação e reduz as tensões de peso morto nos componentes do circuito primário. Este projeto também pode ser adotado para LFTRs.
  • Toxicidade do berílio - A mistura de sal proposta FLiBe contém grandes quantidades de berílio , que é tóxico para os humanos (embora nem de longe tão tóxico quanto os produtos da fissão e outros radioativos). O sal nos circuitos de resfriamento primários deve ser isolado dos trabalhadores e do meio ambiente para evitar o envenenamento por berílio . Isso é feito rotineiramente na indústria. Com base nessa experiência industrial, o custo adicional da segurança do berílio deve custar apenas US $ 0,12 / MWh. Após a inicialização, o processo de fissão no sal de combustível primário produz produtos de fissão altamente radioativos com um alto campo de radiação gama e de nêutrons. A contenção eficaz é, portanto, um requisito primário. É possível operar, em vez disso, usando fluoreto de lítio-fluoreto de tório eutético sem berílio, como o projeto LFTR francês, o "TMSR", escolheu. Isso vem com o custo de um ponto de fusão um pouco mais alto, mas tem as vantagens adicionais de simplicidade (evitando BeF
    2    nos sistemas de reprocessamento), aumento da solubilidade para plutônio-trifluoreto, redução da produção de trítio (o berílio produz lítio-6, que por sua vez produz trítio) e melhor transferência de calor ( BeF
    2    aumenta a viscosidade da mistura de sal). Solventes alternativos, como os fluoretos de sódio, rubídio e zircônio, permitem pontos de fusão mais baixos em uma troca na reprodução.
  • Perda de nêutrons retardados - Para serem controlados de maneira previsível, os reatores nucleares dependem de nêutrons retardados. Eles requerem nêutrons adicionais de evolução lenta da decomposição do produto de fissão para continuar a reação em cadeia. Como os nêutrons atrasados ​​evoluem lentamente, isso torna o reator muito controlável. Em um LFTR, a presença de produtos de fissão no trocador de calor e na tubulação significa que uma parte desses nêutrons atrasados ​​também são perdidos. Eles não participam da reação em cadeia crítica do núcleo, o que, por sua vez, significa que o reator se comporta menos suavemente durante as mudanças de fluxo, potência, etc. Aproximadamente até metade dos nêutrons atrasados ​​podem ser perdidos. Na prática, significa que o trocador de calor deve ser compacto para que o volume fora do núcleo seja o menor possível. Quanto mais compacto (maior densidade de potência) for o núcleo, mais importante se torna esta questão. Ter mais combustível fora do núcleo nos trocadores de calor também significa que mais combustível físsil caro é necessário para iniciar o reator. Isso torna um trocador de calor bastante compacto um requisito importante de projeto para um LFTR.
  • Gerenciamento de resíduos - Cerca de 83% dos resíduos radioativos têm meia-vida em horas ou dias, com os 17% restantes exigindo armazenamento de 300 anos em confinamento geologicamente estável para atingir os níveis de fundo. Como alguns dos produtos de fissão, em sua forma de fluoreto, são altamente solúveis em água, os fluoretos são menos adequados para armazenamento de longo prazo. Por exemplo, o fluoreto de césio tem uma solubilidade muito alta em água. Para armazenamento de longo prazo, a conversão para uma forma insolúvel, como um vidro, pode ser desejável.
  • Custos incertos de descomissionamento - A limpeza do experimento do reator de sal fundido foi de cerca de US $ 130 milhões, para uma pequena unidade de 8 MW (th). Muito do alto custo foi causado pela evolução inesperada do hexafluoreto de flúor e urânio a partir do sal de combustível frio armazenado que o ORNL não abasteceu e armazenou corretamente, mas isso agora foi levado em consideração no projeto do MSR. Além disso, os custos de descomissionamento não escalam fortemente com o tamanho da planta com base na experiência anterior, e os custos são incorridos no final da vida útil da planta, portanto, uma pequena taxa por quilowattsour é suficiente. Por exemplo, uma planta de reator GWe produz mais de 300 bilhões de kWh de eletricidade ao longo de uma vida útil de 40 anos, então uma taxa de descomissionamento de $ 0,001 / kWh entrega $ 300 milhões mais juros no final da vida útil da planta.
  • Acúmulo de metais nobres - Alguns produtos de fissão radioativos, como metais nobres , se depositam em tubos. Equipamentos novos, como cartuchos de esponja de lã de níquel, devem ser desenvolvidos para filtrar e reter os metais nobres para evitar o acúmulo.
  • Vida útil limitada da grafite - Projetos compactos têm uma vida útil limitada para o moderador de grafite e o separador de ciclo de combustível / reprodução. Sob a influência de nêutrons rápidos, o grafite primeiro encolhe, depois se expande indefinidamente até que se torne muito fraco e possa rachar, criando problemas mecânicos e fazendo com que o grafite absorva produtos de fissão suficientes para envenenar a reação. O projeto de dois fluidos de 1960 teve um período de substituição de grafite estimado em quatro anos. Eliminar o grafite da tubulação vedada foi um grande incentivo para mudar para um projeto de fluido único. A substituição dessa grande parte central requer equipamento operado remotamente. Os projetos do MSR devem providenciar essa substituição. Em um reator de sal fundido, virtualmente todo o combustível e produtos de fissão podem ser canalizados para um tanque de retenção. Apenas uma fração de um por cento dos produtos da fissão acabam na grafite, principalmente devido aos produtos da fissão que se chocam contra a grafite. Isso torna a superfície de grafite radioativa e, sem a reciclagem / remoção de pelo menos a camada superficial, cria um fluxo de resíduos bastante volumoso. Remover a camada superficial e reciclar o restante do grafite resolveria esse problema. Existem várias técnicas para reciclar ou descartar grafite moderador nuclear. O grafite é inerte e imóvel em baixas temperaturas, portanto, pode ser facilmente armazenado ou enterrado, se necessário. Pelo menos um projeto usava bolas de grafite (seixos) flutuando no sal, que podiam ser removidas e inspecionadas continuamente sem desligar o reator. A redução da densidade de potência aumenta a vida útil do grafite. Em comparação, os reatores de combustível sólido normalmente substituem 1/3 dos elementos de combustível, incluindo todos os produtos de fissão altamente radioativos neles, a cada 12 a 24 meses. Isso é feito rotineiramente sob uma camada de coluna de água de proteção e resfriamento.
  • Feedback de reatividade positiva causado pela grafite - Quando a grafite aquece, aumenta a fissão do U-233, causando um feedback positivo indesejável. O projeto LFTR deve evitar certas combinações de grafite e sal e certas geometrias do núcleo. Se esse problema for resolvido com o emprego de grafite adequada e, portanto, de um espectro bem termalizado, é difícil alcançar o equilíbrio entre a reprodução. A alternativa de usar pouco ou nenhum grafite resulta em um espectro de nêutrons mais rápido. Isso requer um grande inventário físsil e aumenta o dano por radiação.
  • Solubilidade limitada de plutônio - os fluoretos de plutônio, amerício e cúrio ocorrem como trifluoretos, o que significa que eles têm três átomos de flúor anexados ( PuF
    3    , AmF
    3    , CmF
    3    ) Esses trifluoretos têm uma solubilidade limitada no sal transportador FLiBe. Isso complica a inicialização, especialmente para um design compacto que usa um estoque de sal primário menor. Claro, deixar o plutônio carregando resíduos do processo de inicialização é uma solução ainda melhor, tornando isso um problema. A solubilidade pode ser aumentada operando com menos ou nenhum fluoreto de berílio (que não tem solubilidade para trifluoretos) ou operando em uma temperatura mais alta (como com a maioria dos outros líquidos, a solubilidade aumenta com a temperatura). Um espectro térmico, núcleo de densidade de energia mais baixa não tem problemas com a solubilidade do plutônio.
  • Risco de proliferação devido ao reprocessamento - o reprocessamento eficaz implica um risco de proliferação . Os LFTRs também podem ser usados ​​para lidar com o plutônio de outros reatores. No entanto, como afirmado acima, o plutônio é quimicamente difícil de separar do tório e o plutônio não pode ser usado em bombas se diluído em grandes quantidades de tório. Além disso, o plutônio produzido pelo ciclo de combustível de tório é principalmente Pu-238 , que produz altos níveis de nêutrons espontâneos e calor de decomposição que tornam impossível construir uma bomba de fissão apenas com este isótopo, e extremamente difícil construir uma contendo até mesmo muito pequenas porcentagens disso. A taxa de produção de calor de 567 W / kg significa que um núcleo de bomba deste material produziria continuamente vários quilowatts de calor. A única rota de resfriamento é por condução através das camadas de alto explosivo circundantes, que são péssimos condutores. Isso cria temperaturas excessivamente altas que destruiriam a montagem. A taxa de fissão espontânea de 1204 kBq / g é mais do dobro do Pu-240 . Mesmo percentagens muito pequenas deste isótopo reduziriam drasticamente o rendimento da bomba por "pré-detonação" devido aos nêutrons da fissão espontânea iniciando a reação em cadeia causando um " chiado " em vez de uma explosão. O reprocessamento em si envolve o manuseio automatizado em uma célula quente totalmente fechada e contida, o que complica o desvio. Em comparação com os métodos de extração atuais, como PUREX, os piroprocessos são inacessíveis e produzem materiais físseis impuros, muitas vezes com grandes quantidades de contaminação do produto de fissão. Embora não seja um problema para um sistema automatizado, ele apresenta sérias dificuldades para os aspirantes a proliferadores.
  • Risco de proliferação da separação de protactínio - Projetos compactos podem se reproduzir apenas usando a separação rápida de protactínio, um risco de proliferação, uma vez que isso potencialmente dá acesso a 233-U de alta pureza. Isso é difícil porque o 233-U desses reatores será contaminado com 232-U, um emissor de alta radiação gama, exigindo uma instalação de enriquecimento a quente de proteção como um caminho possível para o material adequado para armas . Por causa disso, os reatores de potência comerciais podem ter que ser projetados sem separação. Na prática, isso significa não reproduzir ou operar com uma densidade de potência mais baixa. Um projeto de dois fluidos pode operar com um cobertor maior e manter o núcleo de alta densidade de potência (que não tem tório e, portanto, não tem protactínio). No entanto, um grupo de engenheiros nucleares argumenta na Nature (2012) que a via do protactínio é viável e que o tório, portanto, "não é tão benigno como foi sugerido..."
  • Proliferação de neptúnio-237 - Em projetos que utilizam um fluorinador, o Np-237 aparece com o urânio como hexafluoreto gasoso e pode ser facilmente separado usando leitos de absorção de pélete de flúor sólido. Ninguém produziu tal bomba, mas a considerável seção transversal de fissão rápida da Np-237 e a baixa massa crítica implicam na possibilidade. Quando o Np-237 é mantido no reator, ele transmuta em Pu-238 de vida curta. Todos os reatores produzem neptúnio considerável, que está sempre presente em alta (mono) qualidade isotópica e é facilmente extraído quimicamente.
  • Envenenamento por nêutrons e produção de trítio a partir de lítio-6 - o lítio-6 é um forte veneno de nêutrons; o uso de LiF com lítio natural, com seu conteúdo de 7,5% de lítio-6, impede a partida dos reatores. A alta densidade de nêutrons no núcleo rapidamente transmuta o lítio-6 em trítio , perdendo nêutrons que são necessários para manter a reprodução do ponto de equilíbrio. O trítio é um isótopo radioativo de hidrogênio, que é quase idêntico, quimicamente, ao hidrogênio comum. No MSR, o trítio é bastante móvel porque, em sua forma elementar, ele se difunde rapidamente através dos metais em alta temperatura. Se o lítio for enriquecido isotopicamente em lítio-7 e o nível de separação isotópica for alto o suficiente (99,995% de lítio-7), a quantidade de trítio produzida é de apenas algumas centenas de gramas por ano para um reator de 1 GWe. Essa quantidade muito menor de trítio vem principalmente da reação lítio-7 - trítio e do berílio, que pode produzir trítio indiretamente por primeiro transmutar em lítio-6 produtor de trítio. Projetos LFTR que usam um sal de lítio, escolha o isótopo de lítio-7 . No MSRE, o lítio-6 foi removido com sucesso do sal combustível por meio de enriquecimento isotópico. Como o lítio-7 é pelo menos 16% mais pesado que o lítio-6 e é o isótopo mais comum, o lítio-6 é comparativamente fácil e barato de extrair. A destilação a vácuo de lítio atinge eficiências de até 8% por estágio e requer apenas aquecimento em uma câmara de vácuo. No entanto , cerca de uma fissão em 90.000 produz hélio-6 , que decai rapidamente para lítio-6 e uma fissão em 12.500 produz um átomo de trítio diretamente (em todos os tipos de reatores). MSRs práticos operam sob uma camada de gás inerte seco, geralmente hélio. Os LFTRs oferecem uma boa chance de recuperar o trítio, uma vez que não é altamente diluído em água como nos reatores CANDU. Existem vários métodos para prender o trítio, como hidratá-lo em titânio, oxidá-lo a formas menos móveis (mas ainda voláteis), como fluoroborato de sódio ou sal de nitrato fundido, ou prendê-lo no gás do ciclo de potência da turbina e liberá-lo usando pelotas de óxido de cobre . A ORNL desenvolveu um sistema de refrigeração de circuito secundário que capturaria quimicamente o trítio residual para que pudesse ser removido do refrigerante secundário em vez de se difundir no ciclo de potência da turbina. ORNL calculou que isso reduziria as emissões de trítio a níveis aceitáveis.
  • Corrosão do telúrio - O reator produz pequenas quantidades de telúrio como produto da fissão. No MSRE, isso causou pequenas quantidades de corrosão nos limites dos grãos da liga especial de níquel , Hastelloy -N. Estudos metalúrgicos mostraram que adicionar 1 a 2% de nióbio à liga Hastelloy -N melhora a resistência à corrosão por telúrio. Manter a proporção de UF
    4    / UF
    3    para menos de 60 corrosão reduzida, mantendo o sal de combustível ligeiramente reduzido. O MSRE contatou continuamente o sal de combustível em fluxo com uma haste de metal de berílio submersa em uma gaiola dentro do reservatório da bomba. Isso causou uma escassez de flúor no sal, reduzindo o telúrio a uma forma menos agressiva (elementar). Este método também é eficaz na redução da corrosão em geral, porque o processo de fissão produz mais átomos de flúor que, de outra forma, atacariam os metais estruturais.
  • Danos por radiação em ligas de níquel - A liga Hastelloy N padrão foi considerada fragilizada pela radiação de nêutrons. Os nêutrons reagiram com o níquel para formar o hélio. Este gás hélio concentrava-se em pontos específicos dentro da liga, onde aumentava as tensões. O ORNL resolveu esse problema adicionando 1–2% de titânio ou nióbio ao Hastelloy N. Isso mudou a estrutura interna da liga para que o hélio fosse finamente distribuído. Isso aliviou a tensão e permitiu que a liga resistisse a um fluxo considerável de nêutrons. No entanto, a temperatura máxima é limitada a cerca de 650 ° C. O desenvolvimento de outras ligas pode ser necessário. A parede externa do vaso que contém o sal pode ter uma proteção neutrônica, como carboneto de boro, para protegê-la efetivamente contra danos por nêutrons.
  • Armazenamento de sal de combustível de longo prazo - Se os sais de combustível de fluoreto forem armazenados na forma sólida por muitas décadas, a radiação pode causar a liberação de gás de flúor corrosivo e hexafluoreto de urânio . Os sais devem ser esvaziados e os resíduos removidos antes de paralisações prolongadas e armazenados acima de 100 graus Celsius. Os fluoretos são menos adequados para armazenamento de longo prazo porque alguns têm alta solubilidade em água, a menos que vitrificados em vidro de borossilicato insolúvel .
  • Modelo de negócios - Os fornecedores de reatores de combustível sólido de hoje obtêm receitas de longo prazo com a fabricação de combustível. Sem nenhum combustível para fabricar e vender, um LFTR adotaria um modelo de negócios diferente. Haveria uma barreira significativa para os custos de entrada para tornar este um negócio viável. Os fornecedores de infraestrutura e peças existentes são voltados para reatores refrigerados a água. Há pouco mercado de tório e mineração de tório, portanto, ainda não existe uma infraestrutura considerável que seria necessária. As agências reguladoras têm menos experiência em regular reatores de tório, criando potencial para atrasos prolongados.
  • Desenvolvimento do ciclo de potência - O desenvolvimento de uma grande turbina de hélio ou dióxido de carbono supercrítico é necessário para a maior eficiência. Esses ciclos de gás oferecem inúmeras vantagens potenciais para uso com reatores alimentados com sal fundido ou resfriados com sal fundido. Esses ciclos de gás fechados enfrentam desafios de projeto e trabalho de aprimoramento de engenharia para um grupo gerador a turbina comercial. Uma turbina a vapor supercrítica padrão poderia ser usada com uma pequena penalidade na eficiência (a eficiência líquida do MSBR foi projetada para ser de aproximadamente 44%, usando uma velha turbina a vapor dos anos 1970). Um gerador de sal fundido para vapor ainda teria que ser desenvolvido. Atualmente, geradores de vapor de sal de nitrato fundido são usados ​​em usinas de energia solar térmica concentrada, como a Andasol, na Espanha. Esse gerador poderia ser usado para um MSR como um terceiro circuito de circulação, onde também capturaria qualquer trítio que se difunde através do trocador de calor primário e secundário

Desenvolvimentos recentes

O Fuji MSR

O FUJI MSR foi um projeto para um reator reprodutor térmico de ciclo de combustível de tório alimentado com sal fundido de 100 a 200 MWe , usando tecnologia semelhante ao Oak Ridge National Laboratory Reactor Experiment. Ele estava sendo desenvolvido por um consórcio que incluía membros do Japão, Estados Unidos e Rússia. Como um reator reprodutor, ele converte tório em combustíveis nucleares. Um grupo da indústria apresentou planos atualizados sobre a FUJI MSR em julho de 2010. Eles projetaram um custo de 2,85 centavos por quilowatt-hora.

O consórcio IThEMS planejou construir primeiro um reator MiniFUJI 10 MWe muito menor com o mesmo projeto, uma vez que garantiu um financiamento adicional de $ 300 milhões, mas o IThEMS fechou em 2011 depois que não foi capaz de garantir o financiamento adequado. Uma nova empresa, Thorium Tech Solution (TTS), foi fundada em 2011 por Kazuo Furukawa, o cientista-chefe da IThEMS, e Masaaki Furukawa. A TTS adquiriu o design FUJI e algumas patentes relacionadas.

Projeto MSR de tório chinês

A República Popular da China iniciou um projeto de pesquisa e desenvolvimento em tecnologia de reator de sal fundido de tório. Foi formalmente anunciado na conferência anual da Academia Chinesa de Ciências (CAS) em janeiro de 2011. Seu objetivo final é investigar e desenvolver um sistema nuclear de sal fundido à base de tório em cerca de 20 anos. Um resultado intermediário esperado do programa de pesquisa TMSR é construir um reator de pesquisa resfriado a sal de flúor de leito de seixo de 2 MW em 2015, e um reator de pesquisa alimentado a sal fundido de 2 MW em 2017. Isso seria seguido por um reator demonstrador de 10 MW e um reator 100 Reatores piloto MW. O projeto é liderado por Jiang Mianheng , com um orçamento inicial de US $ 350 milhões, e já recrutou 140 cientistas PhD, trabalhando em tempo integral na pesquisa do reator de sal fundido de tório no Instituto de Física Aplicada de Xangai. Uma expansão da equipe aumentou para 700 em 2015. A partir de 2016, seu plano é para um LFTR piloto de 10 MW estar operacional em 2025, com uma versão de 100 MW definida para seguir em 2035.

No final de agosto de 2021, o Instituto de Física Aplicada de Xangai (SINAP) concluiu a construção de um reator experimental de sal fundido de tório de 2 MW (térmico) em Wuwei. A China planeja acompanhar o experimento com uma versão de 373 MW até 2030.

Energia Flibe

Kirk Sorensen, ex - cientista da NASA e Tecnólogo Nuclear-chefe da Teledyne Brown Engineering , tem sido um promotor de longa data do ciclo do combustível de tório e, em particular, dos reatores de fluoreto líquido de tório. Ele primeiro pesquisou reatores de tório enquanto trabalhava na NASA, enquanto avaliava projetos de usinas de energia adequados para colônias lunares. Material sobre este ciclo de combustível foi surpreendentemente difícil de encontrar, então, em 2006, Sorensen iniciou o "energyfromthorium.com", um repositório de documentos, fórum e blog para promover essa tecnologia. Em 2006, Sorensen cunhou o reator de fluoreto líquido de tório e a nomenclatura LFTR para descrever um subconjunto de projetos de reator de sal fundido com base em combustíveis de sal de fluoreto líquido com cruzamento de tório em urânio-233 no espectro térmico. Em 2011, Sorensen fundou a Flibe Energy, uma empresa que inicialmente pretende desenvolver projetos de pequenos reatores modulares LFTR de 20–50 MW para alimentar bases militares. (É mais fácil promover novos projetos militares do que projetos de usinas civis no ambiente regulatório nuclear dos Estados Unidos de hoje). Uma avaliação de tecnologia independente coordenada com EPRI e Southern Company representa as informações mais detalhadas até agora disponíveis publicamente sobre o projeto LFTR proposto pela Flibe Energy.

Thorium Energy Generation Pty. Limited (TEG)

Thorium Energy Generation Pty. Limited (TEG) era uma empresa australiana de pesquisa e desenvolvimento dedicada ao desenvolvimento comercial mundial de reatores LFTR, bem como de sistemas acionados por aceleradores de tório . Em junho de 2015, a TEG havia encerrado suas operações.

Fundação Alvin Weinberg

A Fundação Alvin Weinberg foi uma instituição de caridade britânica fundada em 2011, dedicada a aumentar a conscientização sobre o potencial da energia de tório e LFTR. Foi formalmente lançado na Câmara dos Lordes em 8 de setembro de 2011. Seu nome é uma homenagem ao físico nuclear americano Alvin M. Weinberg , que foi o pioneiro na pesquisa do reator de sal fundido de tório .

Thorcon

Thorcon é um reator conversor de sal fundido proposto por Martingale, Flórida. Ele apresenta um design simplificado, sem reprocessamento e latas trocáveis ​​para facilitar a substituição do equipamento, em vez de maior eficiência de reprodução nuclear.

Grupo de Pesquisa e Consultoria Nuclear

Em 5 de setembro de 2017, o Grupo Holandês de Pesquisa e Consultoria Nuclear anunciou que a pesquisa sobre a irradiação de sais de fluoreto de tório fundidos dentro do reator de alto fluxo de Petten estava em andamento.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos

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