No final de outubro, foi realizada a quinta conferência da indústria sobre o Breakthrough, um projeto exclusivo da indústria mundial de energia nuclear que implementa o fechamento do ciclo do combustível nuclear com reatores rápidos. Cientistas e executivos da Rosatom e de organizações externas falaram sobre os últimos resultados do projeto e discutiram os desafios atuais.
Alexei Likhachev, Diretor Geral da Rosatom, abriu a conferência. Ele lembrou que até 2035 a Rússia terá todos os elementos tecnológicos para a transição para uma indústria de energia nuclear de dois componentes: reatores térmicos e rápidos funcionarão simultaneamente, o que fechará o ciclo do combustível nuclear (NFC). Como resultado, a energia nuclear se tornará independente da base de matérias-primas de urânio e se baseará nos princípios de maior segurança, livre de carbono e não-proliferação. Alexei Likhachev chamou esta tarefa de ambiciosa: «A implementação bem-sucedida do projeto nos permitirá assegurar a liderança mundial absoluta na criação de novas tecnologias de energia nuclear e dar uma vantagem adicional à energia nuclear como uma energia verde e ambientalmente amigável. Isto é estrategicamente importante não só para a Rússia, mas também para toda a indústria nuclear global», sublinhou o Diretor Geral da Rosatom. Ele observou que os trabalhos do Breakthrough estão transcorrendo rigorosamente de acordo com o cronograma.
Tecnologias de ciclo fechado de combustível nuclear serão implementadas no complexo piloto experimental, que está atualmente em construção no local da Usina Química da Sibéria – JSC Siberian Chemical Combine (parte da Fuel Company TVEL, segmento de combustíveis da Rosatom), na região de Tomsk. O local incluirá um módulo de fabricação/recondicionamento de combustível (a ser concluído em 2023), um reator de nêutrons rápidos com resfriamento de chumbo BREST-OD-300 (programado para ser colocado em operação comercial em 2027), e um módulo de reprocessamento de combustível (a ser concluído em 2030).
A energia nuclear de dois componentes é um dos cinco projetos federais do programa global «Desenvolvimento Técnico, Tecnologia e Pesquisa no Uso da Energia Nuclear na Federação Russa até 2024». (RTTN), aprovado pelo governo russo este ano. A Diretora de Ciência e Tecnologia da Rosatom Natalya Ilyina disse que o orçamento aprovado para este programa até 2024 é de 354,7 bilhões de rublos (5 bilhões de dólares), e para o projeto Breakthrough é de 64,2 bilhões de rublos (900 milhões de dólares).
Reatores: chumbo e sódio
A primeira cerimônia de despejo de concreto para o edifício da central elétrica BREST aconteceu na Planta Química da Sibéria neste Verão. De acordo com Vadim Lemekhov, projetista principal do projeto Breakthrough, os principais elementos do BREST já foram encomendados para produção nas plantas industriais da Rosatom: o gerador de vapor, a bomba de circulação principal, o vaso do reator, dispositivos internos do núcleo, etc. Isto foi possível após a licença de construção do reator ter sido obtida no início de 2021. Assim o reator BREST-OD-300 tornou-se o primeiro reator da Geração 4 a ser construído. A segurança do BREST será alcançada através da maximização do uso das propriedades naturais dos materiais e soluções de design usando princípios passivos. O refrigerante é chumbo líquido: ao contrário da água, tem uma temperatura de ebulição e solidificação muito mais elevada, o que elimina a perda de refrigerante, incêndios, explosões químicas ou térmicas, e também fornece um espectro rápido de nêutrons para a reprodução total ou prolongada do combustível. BREST vai implementar um esquema de dois circuitos: o combustível nuclear aquece o chumbo (primeiro circuito); o chumbo é enviado para o gerador de vapor, transferindo calor para a água do segundo circuito.
Um reator de nêutrons rápidos arrefecido a sódio, BN-1200M, também está sendo desenvolvido como parte do projeto Breakthrough. A tecnologia de reatores de sódio «rápidos» tem sido testada há muito tempo na Rússia: dois desses reatores industriais, BN-600 e BN-800, estão em operação na NPP Beloyarsk. Sergei Shepelev, o projetista principal das plantas de reatores de nêutrons rápidos da Afrikantov OKBM (parte da Rosatom), disse que o principal objetivo do projeto BN-1200 era alcançar a competitividade com outros tipos de geração, incluindo plantas de gás vapor. As características chave do BN-1200M serão melhores do que as do BN-800: por exemplo, a massa específica do reator será reduzida, as soluções de projeto e layout para o núcleo com combustível MNUP e MOX serão unificadas, etc. Atualmente, estão em curso trabalhos para melhorar o desempenho técnico e econômico da unidade de potência e estão sendo realizados trabalhos adicionais de P&D para justificar as soluções técnicas.
Fabricação e reprocessamento de combustível
Para fechar o ciclo do combustível, o chamado ciclo de combustível in situ (adjacente à usina) é implementado no projeto ODEK, que inclui dois módulos principais – MFR (módulo de fabricação/refabricação) e o MR (módulo de reprocessamento de combustível de nitreto de urânio-plutônio irradiado), que têm um sistema de gerenciamento de resíduos radioativos (RW) comum. No primeiro caso, é a primeira produção piloto mundial de combustível de nitreto misto à base de plutônio energético e urânio empobrecido, utilizando a tecnologia de fusão carbotérmica. Um único módulo de fabricação e refabricação de combustível permite o manuseio tanto dos materiais de origem quanto dos produtos de reprocessamento de combustível queimado do reator BREST-OD-300, e também prevê a inclusão de actinídeos menores no combustível para sua posterior transmutação.
Durante a conferência, Yuri Mochalov, tecnólogo principal do Breakthrough, disse que os resultados mais significativos foram obtidos no desenvolvimento da tecnologia para o combustível de nitreto de urânio-plutônio misturado denso. Os conjuntos de combustível experimental fabricados na planta provaram sua eficácia durante os testes dos reatores e com base nos resultados dos estudos pós-reator. Também, pela primeira vez no mundo, foram criados complexos multifuncionais únicos para os MFRs – unidades de síntese carbonotérmica, produção de pelotas e uma área de apoio ao processo. «A instalação das linhas de processo MFR está agora em andamento, o comissionamento começará em 2022 e a fase de produção de combustível começará em 2023», disse Yuri Mochalov. Na ODEK, o MFR vai trabalhar para o BREST, mas segundo o especialista, no futuro também poderá ser reconstruído para abastecer o BN-1200M. A reconstrução é baseada em novas abordagens: «da automação à robotização».
As tecnologias de gestão de RW abrangem tanto o reprocessamento como o reprocessamento do SNF, garantindo a máxima extração de elementos transurânicos da LRW. «Foi construída uma maquete completa de equipamento piloto para vitrificação de resíduos de alto nível de reprocessamento hidrometalúrgico e piroquímico de combustível nuclear irradiado», observou Yuri Mochalov.
Os principais problemas e riscos do desenvolvimento da energia nuclear estão relacionados com a gestão do combustível nuclear irradiado e dos resíduos radioativos (RW), tendo em conta os modernos requisitos de segurança ambiental. Em seu discurso na conferência, Viktor Ivanov, radioecologista principal do «Breakthrough», disse que ao fechar o NFC baseado em reatores «rápidos», a equivalência radiológica de RW e matéria-prima natural de urânio em termos de carcinogênese potencial é alcançada após 100 anos de exposição.
Como Dmitry Tolstoukhov, economista-principal do Breakthrough, observou em seu discurso, o desenvolvimento competitivo sustentável da energia nuclear está intrinsicamente ligado ao fechamento do ciclo do combustível nuclear. Ele citou uma previsão do Instituto de Pesquisa Energética da Academia de Ciências da Rússia, segundo a qual a participação da energia nuclear na Rússia pode chegar a cerca de 31% em 2050 (atualmente é de cerca de 20%). O governo concordou agora em aumentar a participação da energia nuclear para 25% até 2045.
Do protótipo ao industrial
O ODEK deve demonstrar a operacionalidade dos novos projetos, tecnologias e a principal possibilidade de fechar o ciclo do combustível nuclear. Mas já agora os resultados do trabalho «Breakthrough» nos permitem avançar para o desenvolvimento de complexos industriais de energia com reatores de nêutrons rápidos. «O objetivo final do projeto «Breakthrough” é avançar para a construção em massa de complexos de energia industrial com reatores rápidos», disse Andrey Petrenko, Engenheiro Principal do «Breakthrough», falando na conferência.
Os princípios de funcionamento dos projetos ODEK e PEC (complexo de energia industrial) seriam semelhantes, exceto que o PEC é baseado em uma usina nuclear de duas unidades com dois reatores de nêutrons rápidos de 1.200 MW cada. Se será resfriado com chumbo ou sódio ainda está para ser decidido. Como no ODEK, o PEC poderia incluir módulos estacionários de fabricação e reprocessamento de combustível: o primeiro produziria conjuntos de combustível com combustível SNUP ou MOX, enquanto o segundo reprocessaria o combustível gasto para reprocessamento de novos conjuntos. Também é possível que as instalações de fechamento do NFC estejam localizadas separadamente da central nuclear, por exemplo, nos complexos industriais da Rosatom. De acordo com Andrei Petrenko, já foi desenvolvido um esboço do projeto do NFC, e um estudo de viabilidade para a fase inicial do desenvolvimento da energia nuclear de dois componentes está em andamento.
Implementação tecnológica do princípio da segurança natural
O projeto do núcleo de equilíbrio de reatores rápidos minimiza a margem de reatividade para a queima de combustível nuclear e praticamente elimina a aceleração instantânea de nêutrons, ou seja, elimina acidentes do tipo Chernobyl. O desenho integral do núcleo elimina acidentes do tipo Three Mile Island e Fukushima-. No menor tempo possível, os cientistas russos desenvolveram um combustível de nitreto de urânio-plutônio denso, o que permite implementar um núcleo deste tipo com aproximadamente 1 kVA e permitir um reator rápido com reprodução total de material físsil sem uma manta de urânio. O líquido refrigerante de metal líquido pesado fornece um nível de circulação natural suficiente para remover o calor residual do reator por meio de um trocador de calor de ar.
