Reator rápido resfriado a sódio - Sodium-cooled fast reactor

Reator rápido resfriado por sódio tipo piscina (SFR)

Um reator rápido resfriado com sódio é um reator rápido de nêutrons resfriado por sódio líquido .

As iniciais SFR, em particular, referem-se a duas propostas de reator de Geração IV , uma baseada na tecnologia existente de reator refrigerado por metal líquido (LMFR) usando combustível de óxido misto (MOX) e uma baseada no reator rápido integral alimentado por metal .

Vários reatores rápidos refrigerados a sódio foram construídos e alguns estão em operação. Outros estão em planejamento ou em construção. TerraPower está planejando construir seus próprios reatores em parceria com GEHitachi, sob a denominação Natrium .

Ciclo de combustível

O ciclo do combustível nuclear emprega uma reciclagem completa de actinídeo com duas opções principais: Uma é um reator refrigerado a sódio de tamanho intermediário (150-600 MWe) com urânio - plutônio - minor-actinídeo - zircônio combustível de liga metálica, apoiado por um combustível de liga de metal baseado em ciclo de combustível no reprocessamento pirometalúrgico em instalações integradas ao reator. O segundo é um reator resfriado por sódio de médio a grande porte (500-1.500 MWe) com combustível misto de óxido de urânio-plutônio, apoiado por um ciclo de combustível baseado em processamento aquoso avançado em um local central atendendo a vários reatores. A temperatura de saída é de aproximadamente 510–550 graus C para ambos.

Refrigerante de sódio

O sódio metálico líquido pode ser usado para transportar o calor do núcleo. O sódio tem apenas um isótopo estável, sódio-23 . O sódio-23 é um absorvedor de nêutrons fraco. Quando ele absorve um nêutron, ele produz sódio-24 , que tem meia-vida de 15 horas e decai para o isótopo estável de magnésio-24 .

Tipo de piscina ou loop

Diagrama esquemático que mostra a diferença entre os projetos Pool e Loop de um reator reprodutor rápido de metal líquido

As duas principais abordagens de projeto para reatores refrigerados a sódio são o tipo piscina e o tipo loop.

No tipo de piscina, o refrigerante primário está contido no vaso do reator principal, que, portanto, inclui o núcleo do reator e um trocador de calor . O US EBR-2 , o French Phénix e outros usaram essa abordagem, e ela é usada pelo Prototype Fast Breeder Reactor da Índia e pelo China CFR-600 .

No tipo loop, os trocadores de calor estão fora do tanque do reator. O Rapsodie francês , o British Prototype Fast Reactor e outros usaram essa abordagem.

Vantagens

A principal vantagem dos refrigerantes de metal líquido, como o sódio líquido , é que os átomos de metal são moderadores fracos de nêutrons . A água é um moderador de nêutrons muito mais forte porque os átomos de hidrogênio encontrados na água são muito mais leves do que os átomos de metal e, portanto, os nêutrons perdem mais energia em colisões com átomos de hidrogênio. Isso torna difícil usar água como refrigerante para um reator rápido porque a água tende a desacelerar (moderar) os nêutrons rápidos em nêutrons térmicos (embora existam conceitos para reatores de água de moderação reduzida ).

Outra vantagem do refrigerante de sódio líquido é que o sódio funde a 371 K e ferve / vaporiza a 1156 K, uma diferença de 785 K entre os estados sólido / congelado e gás / vapor. Em comparação, a faixa de temperatura do líquido da água (entre gelo e gás) é de apenas 100 K em condições normais de pressão atmosférica ao nível do mar. Apesar do baixo calor específico do sódio (em comparação com a água), isso permite a absorção de calor significativo na fase líquida, enquanto mantém grandes margens de segurança. Além disso, a alta condutividade térmica do sódio cria efetivamente um reservatório de capacidade de calor que fornece inércia térmica contra o superaquecimento. O sódio não precisa ser pressurizado, pois seu ponto de ebulição é muito mais alto do que a temperatura de operação do reator , e o sódio não corrói as peças de aço do reator. As altas temperaturas atingidas pelo refrigerante (a temperatura de saída do reator Phénix era de 560 C) permitem uma maior eficiência termodinâmica do que em reatores refrigerados a água. O sódio fundido eletricamente condutor pode ser movido por bombas eletromagnéticas .

Desvantagens

Uma desvantagem do sódio é sua reatividade química, que requer cuidados especiais para prevenir e suprimir incêndios. Se o sódio entrar em contato com a água, ele reage para produzir hidróxido de sódio e hidrogênio, e o hidrogênio queima em contato com o ar. Este foi o caso da Usina Nuclear de Monju em um acidente de 1995. Além disso, a captura de nêutrons faz com que ele se torne radioativo; embora com meia-vida de apenas 15 horas.

Outro problema são os vazamentos, considerados por um crítico dos reatores rápidos, MV Ramana , como "praticamente impossíveis de prevenir".

Metas de design

A temperatura de operação não deve exceder a temperatura de derretimento do combustível. A interação química combustível-revestimento (FCCI) deve ser acomodada. FCCI é a fusão eutética entre o combustível e o revestimento; urânio, plutônio e lantânio (um produto da fissão ) difundem-se com o ferro do revestimento. A liga que se forma tem uma temperatura de fusão eutética baixa. O FCCI faz com que o revestimento reduza sua resistência e até mesmo rompa. A quantidade de transmutação transurânica é limitada pela produção de plutônio a partir do urânio. Uma solução alternativa é ter uma matriz inerte, usando, por exemplo, óxido de magnésio . O óxido de magnésio tem uma probabilidade de ordem de magnitude menor de interagir com nêutrons (térmicos e rápidos) do que elementos como o ferro.

Resíduos de alto nível e, em particular, gerenciamento de plutônio e outros actinídeos devem ser tratados. Os recursos de segurança incluem um longo tempo de resposta térmica, uma grande margem para ebulição do refrigerante, um sistema de resfriamento primário que opera próximo à pressão atmosférica e um sistema de sódio intermediário entre o sódio radioativo no sistema primário e a água e o vapor na usina de energia. As inovações podem reduzir o custo de capital, como projetos modulares, remoção de um circuito primário, integração da bomba e trocador de calor intermediário e melhores materiais.

O espectro rápido do SFR torna possível usar materiais físseis e férteis disponíveis (incluindo urânio empobrecido ) de forma consideravelmente mais eficiente do que reatores de espectro térmico com ciclos de combustível de passagem única.

História

Em 2020, a Natrium recebeu uma doação de US $ 80 milhões do Departamento de Energia dos EUA para o desenvolvimento de seu SFR. O programa planeja usar combustível de alto teor de urânio enriquecido com baixo teor de urânio contendo 5-20% de urânio. O reator deveria estar localizado no subsolo e ter hastes de controle inseridas por gravidade. Por operar à pressão atmosférica, uma grande blindagem de contenção não é necessária. Devido à sua grande capacidade de armazenamento de calor, esperava-se que fosse capaz de produzir energia de surto de 550 MWe por mais de 5 horas, além de sua energia contínua de 345 MWe.

Reatores

Os reatores resfriados a sódio incluem:

Modelo	País	Energia térmica (MW)	Energia elétrica (MW)	Ano de comissão	Ano de desativação	Notas
BN-350	União Soviética		135	1973	1999	Foi usado para alimentar uma planta de dessalinização de água.
BN-600	União Soviética		600	1980	Operacional	Junto com o BN-800, um dos dois únicos reatores comerciais rápidos do mundo.
BN-800	União Soviética / Rússia	2100	880	2015	Operacional	Junto com o BN-600, um dos dois únicos reatores rápidos comerciais do mundo.
BN-1200	Rússia	2900	1220	2036	Ainda não construído	Em desenvolvimento. Será seguido pelo BN-1200M como modelo para exportação.
CEFR	China	65	20	2012	Operacional
CRBRP	Estados Unidos	1000	350	Nunca construído	Nunca construído
EBR-1	Estados Unidos	1,4	0,2	1950	1964
EBR-2	Estados Unidos	62,5	20	1965	1994
Fermi 1	Estados Unidos	200	69	1963	1975
Experiência de reator de sódio	Estados Unidos	20	65	1957	1964
S1G	Estados Unidos					Reatores navais dos Estados Unidos
S2G	Estados Unidos					Reatores navais dos Estados Unidos
Instalação de teste de fluxo rápido	Estados Unidos
PFR	Reino Unido	500	250	1974	1994
FBTR	Índia	40	13,2	1985	Operacional
PFBR	Índia		500	2020	Em construção	Em construção
Monju	Japão	714	280	1995/2010	2010	Suspenso por 15 anos. Reativado em 2010, depois fechado definitivamente
Jōyō	Japão	150		1971	Operacional
SNR-300	Alemanha		327	1985	1991
Rapsodie	França	40	24	1967	1983
Phénix	França	590	250	1973	2010
Superphénix	França	3000	1242	1986	1997	O maior SFR já construído. Sofreu um ataque terrorista durante sua construção.

A maioria delas eram plantas experimentais que não estão mais operacionais. Em 30 de novembro de 2019, a CTV informou que as províncias canadenses de New Brunswick , Ontário e Saskatchewan planejaram um anúncio sobre um plano conjunto para cooperar em reatores nucleares modulares rápidos de sódio pequenos da ARC Nuclear Canada de New Brunswick.

Veja também

Referências

links externos

• Folha de dados do reator rápido resfriado a sódio do Idaho National Laboratory
• Site SFR do Fórum Internacional Geração IV
• Resumo do workshop INL SFR
• ALMR / PRISM
• COMO EU
• Richardson JH (17 de novembro de 2009). "Conheça o homem que poderia acabar com o aquecimento global" . Esquire . Arquivado do original em 21 de novembro de 2009. ... Eric Loewen é o evangelista do reator rápido de sódio, que queima lixo nuclear, não emite CO
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