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PARA reator reprodutor é um reator nuclear que cria mais material físsil do que consome. Requer uma carga inicial de material físsil, como urânio altamente enriquecido ou plutônio, e um suprimento de material fértil, como urânio natural,urânio empobrecidoou tório. Excessonêutronsgerados na reação de fissão são absorvidos pelo isótopo fértil, que é transmutado em um isótopo físsil.

Reatores reprodutores podem utilizar quase 100% da energia contida nos minérios de urânio e tório, enquanto os reatores atualmente usados ​​parapoder nucleargeração pode usar no máximo 1%. Eles também podem reutilizar resíduos de reatores existentes como combustível, até que nada mais que produtos de fissão sobrem. Uma vez que o fornecimento de materiais férteis na Terra é extremamente grande, a introdução de reatores reprodutores tornaria a energia nuclear baseada na fissão em uma tecnologia que é sustentável por quase tanto tempo quanto a energia solar, ou seja, até o Sol se extinguir.

Conteúdo

Ciclos de combustível do reator reprodutor

Existem dois ciclos de combustível investigados para uso com reatores reprodutores:

  • Ciclo de combustível urânio-plutônio . O material fértil é o urânio-238, o principal isótopo do urânio natural. O material físsil éplutônio.
  • Ciclo de combustível de tório-urânio . O material fértil é o tório-232, o único isótopo natural do tório. O material físsil é o urânio-233.

Ambos os ciclos apresentam vantagens e desvantagens, principalmente dependendo do tipo de reator utilizado.

Reatores reprodutores rápidos vs térmicos

Quando um átomo físsil se fissiona devido ao impacto de um nêutron, ele pode liberar vários nêutrons. Alguns desses nêutrons podem causar outros eventos de fissão. Alguns desses nêutrons podem atingir o combustível reprodutor (ex: U-238 e tório) e transmutá-lo em combustível físsil (ex: Pu-239 e U-233). Os nêutrons liberados geralmente são nêutrons rápidos.

Um reator rápido é um reator nuclear que não usa um moderador - uma substância que retarda os nêutrons. Um reator térmico usa moderador para reduzir substancialmente os nêutrons. Isso é chamado de espectro 'térmico', e seus nêutrons são chamados de nêutrons 'térmicos'. O moderador mais comum é a água, e o grafite também é comum (a maioria dos projetos de reatores moderados de grafite usam gás, hélio ou carbono dióxido , como refrigerante. Um dos restantes designs que usam grafite como moderador e água como refrigerante, tiveram que ser adaptados com sistemas de segurança adicionais para uma boa razão . Várias plantas deste projeto foram canceladas durante a construção.)



Nêutrons rápidos vs térmicos têm diferentes probabilidades de impactar átomos e têm diferentes probabilidades de impacto de causar um evento de fissão ou algum outro evento.Urânio-235fissiona facilmente com nêutrons lentos (térmicos), como o urânio-233. Nêutrons rápidos são menos propensos a atingir um núcleo, mas quando eles atingem, são mais provavelmente causará fissão. Nêutrons rápidos são mais eficientes na conversão de urânio-238 em plutônio. A física funciona de forma que o urânio-plutônio deve ser reatores rápidos a fim de equilibrar a transmutação de U-238 em Pu-239 o suficiente para continuar a reação e não requerer combustível físsil adicional. Nêutrons rápidos podem fissão de núcleos de isótopos como U-238 e mesmo isótopos numerados de plutônio, como Pu-240, o último dos quais terá maior acumulação no combustível irradiado de reatores convencionais de água leve. Assim, em teoria, os reatores reprodutores rápidos são capazes de produzir plutônio com taxas de conteúdo mais baixas de Pu-240 a Pu-239, o que é favorável para a produção de bombas (a produção de plutônio no passado era feita quase exclusivamente em reatores de produção dedicados, geralmente grafite moderado); no entanto, uma vez que os reatores rápidos não exigem a separação desses isótopos na reciclagem do combustível, esse risco de proliferação pode ser anulado.

Devido à física e à engenharia dos reatores, o refrigerante deve passar pelo núcleo e, portanto, a água não pode ser usada como refrigerante para um reator rápido porque a água é um moderador. Portanto, eles são um pouco mais complicados. Normalmente eles usam metais líquidos ou gases inertes como refrigerante - principalmente sódio ou hélio, mas alguns reatores da marinha russa também usavam chumbo ou uma liga de chumbo-bismuto. Os reatores de pesquisa às vezes usam uma liga de sódio-potássio, que é líquida à temperatura ambiente e evita o problema de solidificação do refrigerante quando o reator é desligado, mas também é mais cara. Os refrigerantes escolhidos para um reator regenerador rápido também são metais alcalinos ou ligas de metais alcalinos que tendem a ter reações químicas violentas com uma ampla variedade de substâncias, incluindo água (mesmo nos menores níveis de umidade) e, em menor grau, oxigênio.

Os reatores reprodutores rápidos receberam a maior parte do financiamento durante a Guerra Fria porque permitiram a produção de plutônio para uso em armas nucleares. Eles também são menos atraentes para a produção de energia porque os sistemas de segurança na maioria dos reatores de espectro rápido, até agora, foram menos tolerantes a falhas do que os de seus equivalentes de espectro térmico.

Para o ciclo de combustível de tório-urânio, a física permite que os reatores de espectro rápido e térmico alcancem uma reprodução autossustentável de combustível físsil (U-233) a partir do combustível gerado (tório).

Reator de tório de fluoreto líquido

O Reator de tório de fluoreto líquido (LFTR, pronuncia-se 'levantador') é um projeto de reator reprodutor, ganhando interesse renovado. Ele usa o ciclo de tório-urânio, tem um espectro térmico e usa um combustível líquido ao contrário de todos os outros projetos de reatores modernos (com a possível exceção do Reator homogêneo aquoso que não funcionaria no ciclo de tório porque os sais de tório não são adequadamente solúveis em água). O combustível consiste em tório e urânio em solução em um sal de flúor, geralmente com berílio e lítio. A ideia existe desde o nascimento da era nuclear e tem sido pesquisada e perseguida até certo ponto, mas muito menos do que outras tecnologias. LFTR permanece experimental e não comprovado.

O Oak Ridge National Laboratory fez uma simulação do núcleo de um LFTR por 5 anos no Experimento de Reator de Sal Fundido (1965-1969), que demonstrou muitos dos fundamentos do LFTR. O reator de água leve em Shippingport, Pensilvânia, em 1982, mostrou que havia 1,39% mais material físsil presente no núcleo do que o colocado após uma operação de 5 anos.

Os supostos benefícios incluem eletricidade barata, melhor segurança, características de proliferação boas ou melhores, disponibilidade incrivelmente grande de combustível e menos lixo nuclear por volume e por tempo de vida, a capacidade de extrair e explorar os produtos de fissão potencialmente úteis dos resíduos do reator '(mais fácil de fazer quando o combustível já é líquido na operação de rotina), e talvez o mais atraente de todos, o potencial de usar calor residual do fluido de trabalho para dessalinizar a água do mar com pouco ou nenhum prejuízo à eficiência do calor circuitos de transferência (os sistemas que convertem o calor do reator em energia cinética para acionar a turbina que converte essa energia cinética em eletricidade). Os negativos alegados são que, devido a quanto tempo atrás o MSRE acima mencionado foi desmontado e sua equipe de design dissolvida, a grande maioria das pessoas com experiência prática na construção de um modelo de trabalho deste tipo de reator estão, na melhor das hipóteses, aposentados há muito e, na pior das hipóteses, falecido. Isso exige colocar muitos recursos para reinventar a roda proverbial antes que um LFTR comercialmente viável possa se tornar um empreendimento plausível. Uma das áreas que foram identificadas como especialmente carentes de especialização necessária para prosseguir com o desenvolvimento foi (e é) metalurgia de alta temperatura de componentes que estarão em contato direto prolongado com os sais fundidos do reator e identificação de uma liga que será suficientemente durável para uso em um reator projetado para operar continuamente por até 40 ou possivelmente 60 anos. Moderadores de nêutrons também podem ser problemáticos, já que o MSRE usou grafite como moderador. A grafite tende a inchar e ficar quebradiça após exposição prolongada a um ambiente de alto fluxo de nêutrons (como o núcleo de um reator de fissão nuclear).

Ao contrário dos mitos perpetuados por alguns proponentes do LFTR, provavelmente não é completamente à prova de proliferação. No entanto, é provável que haja mais proliferaçãoresistentedo que os reatores nucleares convencionais.

Reator de ondas viajantes

O reator de ondas progressivas (TWR) é semelhante a um reator reprodutor que pretende ser uma melhoria em relação aos projetos existentes. Ele passou por várias encarnações ao longo dos anos. Ele funciona com combustível irradiado, transformando-o em plutônio e, em seguida, usando-o. A onda no nome vem da onda de uso que vem do núcleo do reator para fora.

O design chamou a atenção de Bill Gates, o que significa que ou (A) eles são algo realmente interessante ou (B) um rico magnata aposentado do software gosta deles.

Atualmente, as patentes do design são detidas pela TerraPower.

Reatores reprodutores existentes

Usina Nuclear Beloyarsk

Atualmente, existem dois reatores reprodutores usados ​​para produção de energia operando no mundo:

  • Reator BN-600 em Beloyarsk, Rússia.
  • China Experimental Fast Reactor perto de Pequim, China.

O Departamento de Energia dos Estados Unidos investiu seus recursos no desenvolvimento de Reatores Fast Breeder, culminando com Reator Fermi 1 em Monroe, Michigan, que foi construído e desenvolvido a partir de 1957, e que sofreu um colapso parcial em 1966. Reparos foram tentados e, apesar das operações intermitentes contínuas, nunca mais foi capaz de atingir a capacidade operacional total e foi encerrado permanentemente e descomissionado em 1972. Um reator, de projeto mais convencional, foi construído ali, entrando em operação em 1988. Reator 2, que é não um criador, continua em uso rotineiro hoje.

Um protótipo de um reator reprodutor comercial de 1200 MW, Superphénix , estava operando na França entre 1986 e 1997. Foi fechado após uma decisão executiva de um primeiro-ministro recém-eleito, Lionel Jospin, aliado dos franceses Festa verde . Seu predecessor, um reator de prova de conceito apropriadamente chamado Fénix operou e até forneceu energia para a rede elétrica francesa de 1973 a 2008, passando por sua paralisação final e permanente em 2009.

O Reator monju em Tsuruga, o Japão funcionou até meados dos anos 90, depois fechou por 15 anos. Poucos meses depois que Monju foi reativado, um guindaste caiu no tanque de refrigerante de sódio líquido no qual o reator está submerso. Desde então, foi encerrado permanentemente.

Crítica

Omovimento anti-nuclearopõe-se ao desenvolvimento de reatores rápidos. Sua principal preocupação é que os reatores reprodutores são caros e os protótipos apresentam problemas de engenharia. Isso não é realmente surpreendente, considerando que algumas dessas organizações também se opõem à pesquisa em fusão. O reprocessamento nuclear, outra tecnologia à qual o movimento é alérgico, é parte obrigatória do ciclo do combustível. Críticas adicionais vêm de especialistas em proliferação, que se preocupam se os recursos anti-proliferação propostos serão suficientes. No geral, as próprias palavras 'reator reprodutor' tornaram-se mais politicamente tóxicas do que a energia nuclear por si só. Um dos primeiros projetos nucleares a ser desfeito em um grande país industrializado foi um criador rápido em Kalkar, na Alemanha Ocidental e toda a confusão aconteceuantesChernobyl.

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