Na conferência de outubro “Nova Energia Nuclear”, os gerentes seniores, cientistas e engenheiros da Rosatom discutiram áreas-chave no desenvolvimento das tecnologias de reatores da Rússia. Uma delas é o aprimoramento dos reatores VVER de grande e médio porte, de eficácia já comprovada. Vamos contar agora o que é o VVER-S, um reator de energia de água pressurizada com controle espectral.
Uma Breve Cronologia sobre a sua Criação
Na década de 1980, o conceito de controle espectral da reatividade por suavização do espectro de nêutrons pelo aumento do volume do moderador foi considerado em todo o mundo. O volume pode ser aumentado de duas maneiras: usando deslocadores removidos do núcleo durante o processo de queima ou diluindo o líquido de arrefecimento com água pesada. A regulação espectral foi considerada uma das formas de economizar combustível através da produção de isótopos físseis.
Depois, a ideia foi engavetada e retomada em 2005. Sob a liderança de Vladimir Asmolov (agora Conselheiro do Diretor Geral da Corporação Estatal), foi feito um trabalho no desenvolvimento de um “super-VVER”. Uma das direções era um reator com regulação espectral. Para tanto, foi considerado um reator de média potência de 600 MW(e). A taxa de reprodução estimado para VVER-S é de 0,7 – 0,8. Para comparação, um VVER convencional tem entre 0,35 e 0,4. Uma série de trabalhos foram realizados, cujos resultados formam a base para a próxima etapa da pesquisa. Em 2019-2020, o desenvolvimento deste conceito para o desenvolvimento do VVER continuou. Os resultados da pesquisa e desenvolvimento realizados mostraram que é possível construir uma usina nuclear com um reator VVER-S com indicadores técnicos e econômicos competitivos.
Atualmente, o desenvolvimento do projeto VVER-S visa resolver cinco problemas. O primeiro é reduzir o consumo de urânio natural no ciclo aberto do combustível nuclear. O segundo é garantir a operação eficiente do reator com uma carga completa de combustível de urânio-plutônio com uma taxa de reprodução de 0,7 a 0,8 em um ciclo fechado de combustível nuclear. O terceiro é garantir a operação do reator no modo de regulação de potência diária na faixa de 100-40-100%. O quarto é a redução do tempo e dos custos de construção de unidades de potência por meio de soluções de design fundamentalmente novas. E o quinto é reduzir o volume de rejeitos radioativos.
A tecnologia VVER-S é baseada na experiência acumulada na operação de usinas de reatores VVER. E embora não se possa dizer que as soluções que estão sendo consideradas para o VVER-S sejam supernovas, cientistas, engenheiros e designers estudaram uma ampla gama de propostas que melhoram as características do projeto. A combinação de inovações nos permite considerá-la uma oferta promissora para os mercados interno e externo.
A tecnologia VVER-S está presente na Estratégia para o Desenvolvimento da Energia Nuclear na Rússia até 2050 e nas Perspectivas para o Período até 2100, aprovadas pelo Conselho de Supervisão da Corporação Estatal em 2021.
Como isso funciona?
“Na tecnologia VVER tradicional, para compensar a margem de reatividade inicial em caso de queima e regular a reatividade durante a operação do reator, um sistema de controle de boro é usado, alterando a concentração de ácido bórico no refrigerante primário“, diz Viktor Mokhov, Líder do Escritório de Gestão de Projetos VVER-S.
A regulação espectral no VVER-S ocorre devido a mudanças na relação água-urânio durante a operação do reator na potência quando deslocadores mecânicos de água localizados em canais especiais de elementos combustíveis são removidos do núcleo. Graças aos deslocadores imersos no núcleo, o volume do moderador no início da operação é menor, de modo que o espectro de nêutrons no núcleo é mais intenso. Isso leva a uma diminuição na seção transversal de fissão de isótopos fissionáveis ímpares e a um aumento na seção transversal para captura ressonante do isótopo urânio-238. Ambos os efeitos levam a uma diminuição nas propriedades reprodutivas do núcleo e a um aumento no acúmulo de 239Pu físsil, que economiza material físsil no abastecimento anual de combustível. Um efeito adicional do endurecimento do espectro é um aumento na proporção de fissões no isótopo urânio-238. Quando os deslocadores são removidos, o espectro se desloca da região dura para a região térmica, levando ao aumento da reatividade.
O uso de deslocadores para regular a reatividade durante o processo de queima elimina o uso de controle de boro durante a operação do reator na potência. No entanto, o abandono completo da regulação do boro em reatores do tipo VVER é difícil de implementar, uma vez que, de acordo com os requisitos de segurança, dois sistemas independentes, baseados em princípios físicos diferentes, são necessários para garantir a transferência e manutenção do reator em estado subcrítico.
Características do Combustível e do Equipamento
Os desenvolvedores acreditam que o VVER-S é uma evolução da tecnologia VVER, que visa à transição de um ciclo de combustível nuclear aberto para um fechado e operação eficiente em energia nuclear de dois componentes.
Para o VVER-S, dois projetos de montagem de combustível estão sendo considerados. O primeiro é clássico, mas com maior número de canais para a colocação de hastes absorventes do sistema de controle e proteção (CPS), o que permite que parte do CPS “cinza” seja alocado para controle de reatividade. O segundo é evolutivo, com passo reduzido da rede do elemento combustível e canais para colocação de deslocadores, que permitem alterar a relação água-urânio no conjunto combustível na faixa de 1,5 – 2,0.
Para os elementos combustíveis e o equipamento do reator principal do VVER-S, devem ser utilizadas, na medida do possível, soluções de referência. As principais soluções técnicas para os equipamentos são baseadas em soluções comprovadas de usinas nucleares de 2006 e usinas nucleares com VVER-TOI. A potência térmica do reator será de 1600 MW, a elétrica de até 650 MW, a eficiência de 38%. Para o reator, planeja-se usar um grande vaso projetado para VVER-1000 para acomodar a quantidade necessária de combustível e propulsores.
No VVER-S, o núcleo será completamente preenchido com combustível de urânio e plutônio, permitindo que as estações com essa usina de reator se ajustem de forma mais eficaz ao conceito de energia de dois componentes.
Na Usina Nuclear de Kola
Para o VVER-S, a potência média foi escolhida para que a Rosatom pudesse fazer uma oferta competitiva a potenciais clientes para substituir usinas a carvão em desuso, fornecer energia para regiões com infraestrutura de rede subdesenvolvida e centros de energia fechados.
A Usina Nuclear de Kola foi escolhida para abrigar a primeira unidade de energia com uma usina de reator VVER-S, já que as unidades de energia VVER-440 de primeira geração existentes em breve terão que ser descomissionadas. De acordo com o atual Plano Geral para a Implantação de Instalações de Energia Elétrica na Federação Russa, uma unidade com VVER-S pode ser construída antes de 2035, se as soluções de projeto técnico forem justificadas e o projeto se mostrar competitivo em comparação com o VVER tradicional e fontes de geração alternativas. Usinas nucleares com VVER-S também podem ser oferecidas ao mercado externo, pois as soluções tecnológicas planejadas serão testadas na Usina Nuclear de Kola e a operacionalidade da unidade com a nova planta do reator será testada.
Estágios de desenvolvimento
As etapas de pesquisa e desenvolvimento foram concluídas e o projeto do reator e da planta do reator está em pleno andamento. Está em curso o desenvolvimento de soluções técnicas básicas para a unidade de potência e para a usina nuclear no seu conjunto. Também estão sendo realizadas atividades de P+D para apoiar as soluções técnicas adotadas no projeto VVER-S. Até o final de 2024, será publicada documentação que nos permitirá avaliar o custo, as perspectivas de desenvolvimento, etc. O comissionamento da primeira unidade no novo local da fase 2 da Usina Nuclear de Kola está previsto para 2035.
