O reator integral de sal fundido e os benefícios de ter um reator de fissão líquida

May 21, 2023

Embora para a maioria o termo 'reator de fissão' traga à mente algo próximo aos reatores de água leve (LWRs) comumente operados, que operam usando água pura (H2O) como refrigerante e com nêutrons térmicos lentos, há um número estonteante de outros projetos possível. Alguns deles estão em uso há décadas, como os reatores de água pesada (D2O) do Canadá (CANDU), enquanto outros só agora começam a dar o primeiro passo para a comercialização.

Isso inclui reatores de alta temperatura resfriados a hélio, como o HTR-PM da China, mas também um tipo relativamente incomum desenvolvido pela Terrestrial Energy, chamado Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Esta empresa canadense passou recentemente pela fase 2 da revisão de fornecedores de pré-licenciamento da Comissão de Segurança Nuclear Canadense (CNSC). O que torna o IMSR tão interessante é que, como o nome sugere, ele usa sais fundidos: tanto para refrigerante quanto como combustível de urânio de baixo enriquecimento, além de produzir combustível a partir de isótopos férteis que deixariam um LWR como parte de seu combustível usado.

Então, por que você deseja que seu combustível seja fluido em vez de um pellet sólido como na maioria dos reatores hoje?

Embora muitos projetos de reatores recém-licenciados ou prestes a serem licenciados na década de 2020 pareçam futuristas, praticamente todos eles foram conceituados de alguma forma antes da década de 1960, e muitos tiveram protótipos construídos. O mesmo acontece com os reatores de sal fundido (MSRs), que viram o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) criar vários protótipos, começando em 1954, quando o Aircraft Reactor Experiment (ARE) atingiu a primeira criticidade. O ARE foi um desdobramento do programa de propulsão nuclear de aeronaves (ANP), que teve suas raízes na Força Aérea dos EUA, antes de ser transferido para a Comissão de Energia Atômica (AEC).

A partir daí, o projeto acabou no ORNL, onde o projeto original de combustível sólido foi alterado para uma mistura de sal fundido/combustível devido a preocupações com a estabilidade da reação em altas temperaturas, que o projeto MSR pode resolver. Após o cancelamento do programa da ANP, as tecnologias MSR da ARE e projetos subsequentes foram usadas para um projeto puramente civil: o Molten-Salt Reactor Experiment (MSRE).

Assim como o ARE, o MSRE utilizava combustível fundido, embora com composição diferente. O ARE usou 53,09% molar de NaF, 40,73% molar de ZrF4 e 6,18% molar de UF4 para sua mistura de sal/combustível, com urânio-235 como material físsil. O moderador de nêutrons também mudou de óxido de berílio (BeO) em ARE para grafite pirolítico em MSRE.

MSRE usou 7LiF – BeF2 – ZrF4 – UF4 (65 – 29,1 – 5-0,9 mol %) seguindo as lições aprendidas com a mistura de sal ARE. Inicialmente, 33% (enriquecido) de urânio-235 foi usado em sua mistura primária de refrigerante/combustível, antes de mudar para o uso de urânio-233 criado a partir de tório em reatores criadores. Embora fosse possível configurar o MSRE para usar sais de tório para produzir seu próprio combustível, isso foi omitido nos experimentos, sendo realizadas medições de nêutrons. No entanto, isso toca em um dos benefícios de um MSR, pois eles podem ser um reator de nêutrons rápido, ao contrário de um LWR moderado por água, tornando-os capazes de produzir seu próprio combustível a partir de isótopos férteis, incluindo os transurânicos e actinídeos resultantes do original combustível de urânio. A outra vantagem dos MSRs é que eles podem operar em temperaturas muito altas (820 °C para ARE, 650 °C para MSRE) devido à alta estabilidade térmica e capacidade de calor do refrigerante, embora não exija as pressões vistas com água leve pressurizada reatores (PWRs), que normalmente apresentam uma temperatura de saída de cerca de 300 °C.

A temperatura operacional determina, em última análise, com quais processos e turbinas ela é compatível, pois os processos industriais geralmente exigem temperaturas muito acima do que os LWRs podem fornecer. Um MSR capaz de fornecer uma fonte constante de calor > 600 °C seria extremamente prático para essas aplicações, além de aumentar a eficiência térmica da geração de eletricidade por meio de turbinas a vapor.

Ao longo da vida útil de cinco anos do MSRE, ele forneceu informações significativas sobre o comportamento do combustível 235U e 233U, bem como a produção e manuseio do gás xenônio (um veneno de nêutrons), a estabilidade do moderador de grafite e a imunidade do sal usado a qualquer tipo de radiação a que foi exposto. Também validou a nova liga metálica desenvolvida no ORNL para resistir aos efeitos corrosivos do sal quente, que é um níquel-cromo-molibdênio chamado Hastelloy N.