Reator subcrítico - Subcritical reactor

Um reator subcrítico é um conceito de reator de fissão nuclear que produz a fissão sem atingir a criticidade . Em vez de sustentar uma reação em cadeia , um reator subcrítico usa nêutrons adicionais de uma fonte externa. Existem duas classes gerais de tais dispositivos. Um usa nêutrons fornecidos por uma máquina de fusão nuclear , um conceito conhecido como híbrido de fusão-fissão . O outro usa nêutrons criados pela fragmentação de núcleos pesados ​​por partículas carregadas, como prótons acelerados por um acelerador de partículas , um conceito conhecido como sistema acionado por acelerador (ADS) ou reator subcrítico acionado por acelerador .

Motivação

Um reator subcrítico pode ser usado para destruir isótopos pesados ​​contidos no combustível usado de um reator nuclear convencional, enquanto ao mesmo tempo produz eletricidade. Os elementos transurânicos de longa vida no lixo nuclear podem, em princípio, ser fissionados , liberando energia no processo e deixando para trás os produtos da fissão que têm vida mais curta. Isso reduziria consideravelmente o tempo de descarte de rejeitos radioativos . No entanto, alguns isótopos têm seções transversais de fissão de limiar e, portanto, requerem um reator rápido para serem fissionados. Além disso, eles liberam em média poucos nêutrons novos por fissão, de modo que, com um combustível contendo uma alta fração deles, a criticidade não pode ser alcançada. O reator acionado por acelerador é independente deste parâmetro e, portanto, pode utilizar esses nuclídeos. Os três isótopos radioativos de longo prazo mais importantes que poderiam ser vantajosamente manipulados dessa forma são o neptúnio-237 , o amerício-241 e o amerício-243 . O material de arma nuclear plutônio-239 também é adequado, embora possa ser gasto de forma mais barata como combustível MOX ou dentro de reatores rápidos existentes .

Além da incineração de lixo nuclear, há interesse neste tipo de reator porque é percebido como inerentemente seguro, ao contrário de um reator convencional. [1] Na maioria dos tipos de reatores críticos, existem circunstâncias em que a taxa de fissão pode aumentar rapidamente, danificando ou destruindo o reator e permitindo o escape de material radioativo (ver SL-1 ou desastre de Chernobyl ). Com um reator subcrítico, a reação cessará, a menos que continuamente sejam alimentados com nêutrons de uma fonte externa. No entanto, o problema da geração de calor, mesmo após o término da reação em cadeia, permanece, de modo que o resfriamento contínuo de tal reator por um período considerável após o desligamento permanece vital para evitar o superaquecimento.

Princípio

A maioria dos modelos actuais ADS propor uma alta intensidade de protões acelerador com uma energia de cerca de 1 GeV , dirigida para um espalação fonte de neutrões ou alvo de espalação. A fonte localizada no coração do núcleo do reator contém metal líquido que é impactado pelo feixe, liberando nêutrons e é resfriado pela circulação do metal líquido, como o chumbo - bismuto, em direção a um trocador de calor. O núcleo do reator nuclear que circunda a fonte de nêutrons de fragmentação contém as barras de combustível, sendo o combustível de preferência Tório . Desse modo, para cada próton que cruza o alvo de fragmentação, uma média de 20 nêutrons é liberada, que fissiona a parte físsil circundante do combustível e enriquece a parte fértil. O equilíbrio de nêutrons pode ser regulado ou mesmo desligado ajustando-se a potência do acelerador de modo que o reator fique abaixo da criticidade . Os nêutrons adicionais fornecidos pela fonte de nêutrons de fragmentação fornecem o grau de controle como fazem os nêutrons atrasados ​​em um reator nuclear convencional , a diferença sendo que os nêutrons movidos pela fonte de nêutrons de fragmentação são facilmente controlados pelo acelerador. A principal vantagem é a segurança inerente . Um convencional reactor nuclear de combustível nuclear possui propriedades de auto-regulação, tais como o efeito de Doppler ou efeito nulo, o que torna estes reactores nucleares segura. Além dessas propriedades físicas dos reatores convencionais, no reator subcrítico, sempre que a fonte de nêutrons é desligada, a reação de fissão cessa e apenas o calor de decaimento permanece.

O princípio de operação de um reator acionado por acelerador

Desafios técnicos

Existem dificuldades técnicas a serem superadas antes que o ADS possa se tornar econômico e, eventualmente, ser integrado ao gerenciamento de resíduos nucleares no futuro. O acelerador deve fornecer uma alta intensidade e também ser altamente confiável. Existem preocupações sobre a janela que separa os prótons do alvo de fragmentação, que deve ser exposto ao estresse sob condições extremas. No entanto, a experiência recente com a fonte de fragmentação de nêutrons de metal líquido MEGAPIE testada no Instituto Paul Scherrer demonstrou uma janela de feixe de trabalho sob um feixe de prótons intenso de 0,78 MW. A separação química dos elementos transurânicos e a fabricação do combustível, assim como os materiais da estrutura, são questões importantes. Finalmente, a falta de dados nucleares em altas energias de nêutrons limita a eficiência do projeto.

Alguns experimentos de laboratório e muitos estudos teóricos demonstraram a possibilidade teórica de tal planta. Carlo Rubbia , físico nuclear , ganhador do Nobel e ex-diretor do CERN , foi um dos primeiros a conceber o projeto de um reator subcrítico, o chamado " amplificador de energia ". Em 2005, vários projetos de grande escala estão em andamento na Europa e no Japão para desenvolver ainda mais a tecnologia de reatores subcríticos. Em 2012, cientistas e engenheiros do CERN lançaram o International Thorium Energy Committee (iThEC), uma organização dedicada a perseguir esse objetivo e que organizou a conferência ThEC13 sobre o assunto.

Economia e aceitação pública

Os reatores subcríticos têm sido propostos tanto como meio de geração de energia elétrica quanto como meio de transmutação de resíduos nucleares , portanto o ganho é duplo. No entanto, espera-se que os custos de construção, segurança e manutenção de tais instalações complexas sejam muito altos, sem falar na quantidade de pesquisa necessária para desenvolver um projeto prático (veja acima). Existem conceitos de gestão de resíduos mais baratos e razoavelmente seguros, como a transmutação em reatores de nêutrons rápidos . Porém, a solução de um reator subcrítico pode ser favorecida para uma melhor aceitação pública - é considerado mais aceitável queimar os resíduos do que enterrá-los por centenas de milhares de anos. Para o gerenciamento futuro de resíduos, alguns dispositivos de transmutação poderiam ser integrados em um programa nuclear de grande escala, esperançosamente aumentando apenas um pouco os custos gerais.

O principal desafio das operações de partição e transmutação é a necessidade de entrar em ciclos nucleares de duração extremamente longa: cerca de 200 anos. Outra desvantagem é a geração de grandes quantidades de rejeitos radioativos de vida longa de nível intermediário (ILW), que também exigirão descarte geológico profundo para serem gerenciados com segurança. Um aspecto mais positivo é a redução esperada do tamanho do repositório, que foi estimada em 4 para 6. Os aspectos positivos e negativos foram examinados em um estudo de referência internacional coordenado pelo Forschungszentrum Jülich e financiado pela União Europeia .

Sistemas híbridos subcríticos

Embora o ADS tenha sido originalmente conceituado como parte de um projeto de reator de água leve , outras propostas foram feitas que incorporam um ADS em outros conceitos de reator de geração IV .

Uma dessas propostas pede um reator rápido resfriado a gás que é alimentado principalmente por plutônio e amerício . As propriedades neutrônicas do amerício dificultam seu uso em qualquer reator crítico, pois tende a tornar o coeficiente de temperatura moderador mais positivo, diminuindo a estabilidade. A segurança inerente de um ADS, entretanto, permitiria que o amerício fosse queimado com segurança. Esses materiais também têm boa economia de nêutrons, permitindo que a proporção entre densidade e diâmetro seja grande, o que permite melhor circulação natural e economia.

Sistemas movidos a muons para eliminação de resíduos nucleares

Métodos subcríticos para uso na eliminação de resíduos nucleares que não dependem de fontes de nêutrons também estão sendo desenvolvidos. Isso inclui sistemas que dependem do mecanismo de captura de múons , no qual múons- ) produzidos por uma fonte compacta acionada por acelerador transmutam isótopos radioativos de longa vida em isótopos estáveis.

Natural

Geralmente o termo é reservado para sistemas artificiais, mas os sistemas naturais existem, qualquer recurso natural de material físsil simplesmente exposto a raios cósmicos e gama protegidos de maneira não confiável ( até mesmo do sol ) poderia ser considerado reatores subcríticos. Isso inclui satélites lançados ao espaço com gerador termoelétrico de radioisótopo , bem como quaisquer reservatórios expostos.

Veja também

Referências

Notas
Origens