Reator de ondas viajantes - Traveling wave reactor

Simulação numérica de um TWR. Vermelho: urânio-238, verde claro: plutônio-239, preto: produtos da fissão. A intensidade da cor azul entre os ladrilhos indica a densidade de nêutrons

Um reator de ondas viajantes ( TWR ) é um tipo proposto de reator de fissão nuclear que pode converter material fértil em combustível utilizável por meio da transmutação nuclear , em conjunto com a queima de material físsil. Os TWRs diferem de outros tipos de reatores de nêutrons rápidos e regeneradores em sua capacidade de usar combustível de maneira eficiente sem enriquecimento ou reprocessamento de urânio , em vez de usar diretamente urânio empobrecido , urânio natural , tório , combustível irradiado removido de reatores de água leve ou alguma combinação desses materiais . O conceito ainda está em estágio de desenvolvimento e nenhum TWR foi construído.

O nome se refere ao fato de que a fissão permanece confinada a uma zona limite no núcleo do reator que avança lentamente ao longo do tempo. Os TWRs poderiam teoricamente funcionar de forma autossustentável por décadas sem reabastecer ou remover o combustível usado.

História

Os reatores de ondas viajantes foram propostos pela primeira vez na década de 1950 e têm sido estudados de forma intermitente. O conceito de um reator que pudesse gerar seu próprio combustível dentro do núcleo do reator foi inicialmente proposto e estudado em 1958 por Savely Moiseevich Feinberg , que o chamou de reator de "geração e combustão". Michael Driscoll publicou pesquisas adicionais sobre o conceito em 1979, assim como Lev Feoktistov em 1988, Edward Teller / Lowell Wood em 1995, Hugo van Dam em 2000 e Hiroshi Sekimoto em 2001.

O TWR foi discutido nos simpósios de Sistemas Inovadores de Energia Nuclear (INES) em 2004, 2006 e 2010 no Japão, onde foi chamado de Reator "CANDLE", uma abreviatura para Forma axial constante de fluxo de nêutrons, densidades de nuclídeos e forma de energia durante a vida da energia produção . Em 2010, Popa-Simil discutiu o caso de micro-heteroestruturas, mais detalhado no artigo "Criação de Plutônio em Micro-Hetero Estruturas Aprimora o Ciclo de Combustível", descrevendo um TWR com queima profunda aprimorada por canais de combustível de plutônio e múltiplos fluxos de combustível. Em 2012, foi demonstrado que as ondas de fissão são uma forma de fenômeno de difusão de reação biestável.

Nenhuma TWR foi construída ainda, mas em 2006 a Intellectual Ventures lançou um spin-off chamado TerraPower para modelar e comercializar um projeto funcional de tal reator, que mais tarde veio a ser chamado de "reator de ondas viajantes". TerraPower desenvolveu projetos de TWR para instalações de geração de baixa a média (300 MWe), bem como de alta potência (~ 1000 MWe). Bill Gates apresentou a TerraPower em sua palestra no TED de 2010 .

Em 2010, um grupo da TerraPower solicitou a patente EP 2324480 A1 seguindo o documento WO2010019199A1 "Resfriamento do reator de onda de deflagração de fissão nuclear de tubo de calor". O pedido foi considerado retirado em 2014.

Em setembro de 2015, a TerraPower e a China National Nuclear Corporation (CNNC) assinaram um memorando de entendimento para desenvolver em conjunto um TWR. TerraPower planejou construir uma planta de demonstração de 600 MWe, a TWR-P, até 2018–2022 seguida por plantas comerciais maiores de 1150 MWe no final de 2020. No entanto, em janeiro de 2019, foi anunciado que o projeto havia sido abandonado devido a limitações de transferência de tecnologia colocadas pela administração Trump .

Física do reator

Artigos e apresentações sobre o TWR da TerraPower descrevem um reator do tipo piscina resfriado por sódio líquido. O reator é alimentado principalmente por urânio-238 empobrecido "combustível fértil", mas requer uma pequena quantidade de urânio-235 enriquecido ou outro "combustível físsil" para iniciar a fissão . Alguns dos nêutrons de espectro rápido produzidos pela fissão são absorvidos pela captura de nêutrons no combustível fértil adjacente (ou seja, o urânio empobrecido não físsil), que é "transformado" em plutônio pela reação nuclear:

Inicialmente, o núcleo é carregado com material fértil, com algumas barras de combustível físsil concentradas na região central. Depois que o reator é iniciado, quatro zonas se formam dentro do núcleo: a zona esgotada, que contém principalmente produtos de fissão e sobras de combustível; a zona de fissão, onde ocorre a fissão do combustível gerado; a zona de reprodução, onde o material físsil é criado por captura de nêutrons; e a zona fresca, que contém material fértil não reagido . A zona de fissão geradora de energia avança continuamente através do núcleo, consumindo efetivamente o material fértil à sua frente e deixando o combustível irradiado para trás. Enquanto isso, o calor liberado pela fissão é absorvido pelo sódio fundido e posteriormente transferido para um circuito aquoso de ciclo fechado, onde a energia elétrica é gerada por turbinas a vapor.

Combustível

Os TWRs usam apenas uma pequena quantidade (~ 10%) de urânio-235 enriquecido ou outro combustível físsil para "iniciar" a reação nuclear. O restante do combustível consiste em urânio-238 natural ou empobrecido, que pode gerar energia continuamente por 40 anos ou mais e permanece selado no vaso do reator durante esse tempo. Os TWRs requerem substancialmente menos combustível por quilowatt-hora de eletricidade do que os reatores de água leve (LWRs), devido à maior queima de combustível, densidade de energia e eficiência térmica dos TWRs. Um TWR também realiza a maior parte de seu reprocessamento dentro do núcleo do reator. O combustível irradiado pode ser reciclado após um simples "refino por fusão", sem a separação química do plutônio que é exigida por outros tipos de reatores reprodutores. Esses recursos reduzem muito os volumes de combustível e resíduos, ao mesmo tempo que aumentam a resistência à proliferação.

O urânio empobrecido está amplamente disponível como matéria-prima. Os estoques nos Estados Unidos atualmente contêm aproximadamente 700.000 toneladas métricas, que é um subproduto do processo de enriquecimento . A TerraPower estimou que apenas o estoque da instalação de enriquecimento de Paducah representa um recurso de energia equivalente a US $ 100 trilhões em eletricidade. TerraPower também estimou que a ampla implantação de TWRs poderia permitir que os estoques globais projetados de urânio empobrecido sustentassem 80% da população mundial com o uso de energia per capita dos EUA por mais de um milênio.

Em princípio, os TWRs são capazes de queimar combustível irradiado de LWRs, que atualmente é descartado como lixo radioativo. O combustível usado LWR é principalmente urânio de baixo enriquecimento (LEU) e, em um espectro de nêutrons rápidos TWR, a seção transversal de absorção de nêutrons dos produtos de fissão é várias ordens de magnitude menor do que em um espectro de nêutrons térmicos LWR. Embora tal abordagem possa realmente trazer uma redução geral nos estoques de lixo nuclear, é necessário desenvolvimento técnico adicional para concretizar essa capacidade.

Os TWRs também são capazes, em princípio, de reutilizar seu próprio combustível. Em qualquer ciclo de operação, apenas 20–35% do combustível é convertido para uma forma inutilizável; o metal restante constitui material físsil utilizável. Reestruturado e recolocado em novos pellets de acionamento sem separações químicas, esse combustível reciclado pode ser usado para iniciar a fissão em ciclos subsequentes de operação, eliminando assim a necessidade de enriquecimento de urânio por completo.

O conceito de TWR não se limita à queima de urânio com plutônio-239 como o "iniciador" em um ciclo de 238 U– 239 Pu, mas também pode queimar tório com urânio-233 como o "iniciador" em um ciclo de 232 Th– 233 U.

Onda viajante vs. onda estacionária

A onda de combustão generalizada no projeto TWR da TerraPower não se move de uma extremidade do reator para a outra, mas gradualmente do centro para fora. Além disso, conforme a composição do combustível muda por meio da transmutação nuclear, as hastes de combustível são continuamente reorganizadas dentro do núcleo para otimizar o fluxo de nêutrons e o uso de combustível ao longo do tempo. Assim, em vez de deixar a onda se propagar através do combustível, o próprio combustível é movido através de uma onda de queima amplamente estacionária. Isso é contrário a muitos relatos da mídia, que popularizaram o conceito como um reator semelhante a uma vela com uma região de queima que desce por uma barra de combustível. Ao substituir uma configuração de núcleo estático por uma "onda estacionária" ou " soliton " gerenciada ativamente , no entanto, o design da TerraPower evita o problema de resfriar uma região de queima em movimento. Nesse cenário, a reconfiguração das barras de combustível é realizada remotamente por dispositivos robóticos; o recipiente de contenção permanece fechado durante o procedimento, sem paralisação associada.

Referências

Leitura adicional

links externos