Em dezembro de 2022, o Instituto Dollezhala de Pesquisa e Design (NIKIET, que faz parte da Rosatom), desenvolveu um projeto preliminar de uma instalação equipada com um reator de pesquisa com combustível de sal fundido circulante (IZhSR). Os autores consideram que a principal tarefa do projeto é o desenvolvimento de tecnologias para um reator de queimador de actinídeo menor de sal fundido em grande escala.

Objetivo e princípio de funcionamento

Um reator de sal líquido é um reator nuclear no qual o combustível é dissolvido em um meio salino de fluoretos de metal (refrigerante), e o sal e o combustível juntos formam um núcleo homogêneo.

Os reatores de sal líquido têm várias características atraentes. Primeiro, ao contrário dos reatores nucleares heterogêneos, eles não requerem barras de combustível ou conjuntos de combustível.

Em segundo lugar, os reatores de sal liquido têm um alto nível de segurança, com base em retroalimentações negativas tanto na temperatura quanto na densidade do meio físsil. E como os coeficientes de temperatura e vácuo neles são negativos, acidentes graves são descartados. A pressão no circuito de combustível, que garante o bombeamento do meio salino ao longo do circuito, é pequena. Assim, a quantidade de energia armazenada que pode sair do loop em caso de perda de integridade é minimizada. E no caso de um aumento não autorizado da temperatura no circuito para um nível perigoso, uma válvula de alívio é acionada, cuja ação passiva é baseada em leis físicas naturais.

O principal objetivo dos reatores de sal líquido é a capacidade de organizar a tecnologia de transmutação contínua (ou “pós-combustão”) de actinídeos menores, que se acumulam no combustível nuclear usado de reatores de potência de nêutrons térmicos. Graças a esta oportunidade, o interesse em reatores de sal líquido na Rússia voltou após uma longa pausa (o desenvolvimento russo de reatores de sal liquido cessou no início dos anos 1990). Os reatores de sal líquido são agora considerados parte de um ciclo fechado de combustível nuclear e um importante elemento tecnológico no processamento e descarte de combustível nuclear irradiado (SNF).

Supõe-se que uma instalação de produção dos reatores de sal líquido será construída no território da Planta de Mineração Química GHK (que faz parte da Rosatom) no Território de Krasnoyarsk. A escolha não é acidental, sendo esta usina especializada apenas na fase final de gestão e desmantelamento de resíduos radioativos.

Linha do tempo do projeto de construção do RSL do Reino Unido (reator de sal líquido)

Os estudos de projeto e estimativas de projeto para o reator de sal líquido começaram no final de 2019. O programa de P&D já foi aprovado. Como parte deste programa, a fundação dos materiais estruturais, a planta do reator, o módulo de processamento de combustível irradiado e outros equipamentos, bem como a tecnologia de preparação de sal de lavagem e combustível e outras tecnologias já começaram. “Suportes exclusivos de alta temperatura já estão sendo criados para testar as soluções técnicas de unidades individuais e verificar os códigos de programa desta instalação inovadora de reatores”, disse Igor Tretyakov, projetista-chefe de reatores de pesquisa e isótopos da NIKIET.

Como parte do projeto, os projetistas elaboraram o circuito técnico principal e as soluções de distribuição para a planta do reator como um todo e os equipamentos adicionais incluídos nela. Ainda há muito trabalho da planta e design do projeto pela frente, como a justificativa dos investimentos, desenvolvimento do desenho técnico da planta do reator e do módulo de processamento, implementação do programa de P&D e, por fim, o desenvolvimento da documentação e licenças do projeto. Neste ano, a Planta de Mineração Química deve obter a licença para construção. “Isso significa que também devemos concluir uma parte significativa da pesquisa e desenvolvimento antes de 2024.”, explicou Igor Tretyakov. O plano é obter a licença de construção em 2027 e concluí-la em 2031.

Particularidades de reatores de sal líquido

A potência térmica dos reatores de sal líquido é de 10 MW. O principal material estrutural é uma liga de 80% de níquel. Prevê-se a fabricação de um circuito de combustível (ou primeiro circuito, em terminologia mais comum) que inclui uma carcaça, tubos e equipamentos térmicos. “Os cientistas estudaram as propriedades de corrosão da interação do sal combustível com este material e, portanto, o escolheram por enquanto. Os prazos para a execução do projeto técnico são muito curtos, devemos seguir o caminho mais claro. Mas é bem possível que, com base nos resultados de P&D, consideremos outros materiais e outros sais.”, disse Igor Tretyakov.

Supõe-se que aproximadamente 10% da composição de sal fundido será removida do circuito de combustível em determinados intervalos e novo combustível fundido será fornecido em seu lugar. Em princípio, não há necessidade de desligar o reator para recarregar, mas isso é uma questão de justificativa para cálculos analíticos e experimentais.

Espera-se que o reator seja construído na área da encosta da montanha da usina GHK. O maciço rochoso é um isolamento adicional do ambiente externo. Além disso, o circuito de combustível e alguns outros equipamentos serão colocados em uma cápsula lacrada, que é uma barreira de segurança.

Para proteger o pessoal, está planejado que a maior parte da manutenção da planta do reator de sal líquido seja realizada por mecanismos robóticos, que também estão sendo desenvolvidos.

Algumas palavras sobre o combustível

O Instituto de Pesquisa Bochvar para Materiais Inorgânicos de Alta Tecnologia (VNIINM, parte da Rosatom) está desenvolvendo combustível para reatores de sal líquido e métodos para seu processamento. O combustível no reator de sal líquido será uma fusão de fluoretos de vários metais. Como material fissionável no fundido, serão introduzidos fluoretos de actinídeos menores sujeitos a transmutação e, seguramente, no estágio inicial, plutônio.

Uma das tarefas em que o VNIINM trabalha é a produção de fluoretos de actinídeos menores. “A síntese de fluoretos não é particularmente difícil, os métodos são conhecidos há muito tempo. Mas para usar esses compostos como combustível para reatores de sal líquido, é necessário que eles atendam a requisitos técnicos rigorosos, principalmente quanto ao teor de oxigênio.”, disse Alexey Ananyev, pesquisador principal do VNIINM, em entrevista ao jornal Strana Rosatom.

O VNIINM planeja usar fluoretos de lítio e berílio como base da composição do combustível. Eles são menos ativos contra materiais estruturais do que os fluoretos de lítio, sódio e potássio (FLiNaK). A obtenção de sais com a qualidade exigida é a segunda tarefa oa VNIINM.

A terceira tarefa é eliminar o trítio, formado a partir do lítio durante a irradiação. O VNIINM já selecionou adsorventes para separação de trítio e desenvolveu um esquema para um sistema de limpeza de gás, e experimentos já estão em andamento. Ao mesmo tempo, os projetistas estão desenvolvendo equipamentos tecnológicos para módulos de preparação e processamento de combustível e sistemas de limpeza de gases.

Em geral, os trabalhos do projeto de criação de uma usina de reatores com reator de sal líquido e um módulo de reprocessamento estão em andamento, embora não sem as dificuldades inerentes a cada nova tecnologia, mas com um propósito firme. Experimentos em reatores de sal líquido serão o primeiro passo para dominar um dos estágios importantes de um ciclo fechado de combustível nuclear, que é a pós-combustão de actinídeos menores do combustível nuclear irradiado acumulado.