Pequenos reatores modulares não são geradores de resíduos nucleares difíceis

Pequenos reatores modulares não são geradores de resíduos nucleares difíceis

Muitos especialistas acreditam que os Reatores Modulares Pequenos (SMRs), geralmente classificados como reatores de energia nuclear com capacidade elétrica de 300 megawatts ou menos, são uma grande promessa para fornecer ao mundo energia de carbono zero. Muitos projetos de SMRs estão em desenvolvimento por empresas em todo o mundo, incluindo NuScale Power, GE-Hitachi, Terrestrial Energy, TerraPower, Toshiba, X-energy e outras. Entre os benefícios promovidos pelos proponentes dos SMRs estão os recursos aprimorados de segurança do reator, a construção mais rápida da usina e os custos unitários mais baixos.

No entanto, houve um debate acalorado sobre a quantidade de lixo nuclear que uma frota de SMRs pode produzir. Em maio de 2022, os resultados da pesquisa de uma equipe que incluía um ex-chefe da Comissão Reguladora Nuclear dos EUA (NRC) e especialistas da Universidade de Stanford indicaram que os SMRs gerarão mais resíduos radioativos do que as unidades nucleares convencionais em escala de gigawatts. A NuScale se opôs a esta pesquisa, dizendo que há um “erro factual no artigo”.

Especificamente, Reyes, diretor de tecnologia e cofundador da NuScale, disse: “Os autores afirmam erroneamente que os pequenos reatores modulares NuScale (SMRs) produzirão significativamente mais combustível nuclear usado (SNF) do que os atuais reatores de água leve. [LWRs]. A base para esta declaração é a análise do núcleo térmico NuScale de 160 MW em vez do núcleo térmico NuScale de 250 MW aplicado nas estações NuScale VOYGR.” exposição máxima que caiu dentro dos valores normalmente vistos na frota existente de reatores de água leve. Agora, a NuScale tem algumas pesquisas independentes para respaldar sua afirmação.

Atributos de resíduos nucleares de SMRs

Em novembro, o Argonne National Laboratory (ANL) concluiu um estudo destinado a avaliar os atributos dos resíduos nucleares em SMRs, com os resultados comparados a um grande reator de referência de água pressurizada (PWR). “Finalmente, quando se trata de lixo nuclear, os SMRs são aproximadamente comparáveis ​​aos reatores convencionais de água pressurizada, com benefícios e fraquezas potenciais, dependendo dos aspectos que usam”, disse o Dr. desafios significativos para o gerenciamento de resíduos nucleares SMR em comparação com grandes resíduos LWR em escala comercial.”

O estudo da ANL, realizado com a ajuda do Laboratório Nacional de Idaho, avaliou os atributos dos resíduos nucleares de três pequenos reatores: NuScale’s VOYGR, TerraPower’s Natrium e X-Energy’s Xe-100. VOYGR é um projeto PWR que usa o mesmo tipo de combustível cerâmico encontrado em LWRs maiores, Natrium é um metal líquido refrigerado e usa combustível de liga metálica, e Xe-100 é um reator refrigerado a hélio que usa areia contendo uma estrutura isotrópica tridimensional ( TRISO) combustível particulado.

O lixo nuclear calculado de cada um foi comparado com as métricas de lixo nuclear de uma grande escala de referência. As métricas de resíduos nucleares usadas no estudo abordaram os resíduos “avançados” gerados durante o processo de fabricação do combustível, os resíduos “retroativos” decorrentes do combustível nuclear usado (SNF) e os resíduos do “fim da vida útil” do descomissionamento do reator.

desperdício de front-end

Em termos de resíduos avançados, o relatório diz que a massa de urânio empobrecido (DU) é proporcional ao enriquecimento e inversamente proporcional à combustão e à eficiência térmica. Comparado com o PWR de referência, o VOYGR gera 23% mais massa de urânio empobrecido como resultado do enriquecimento de combustível de urânio relativamente maior (4,95% vs 4,5%), combustão inferior (49,5 GW/t vs 50,0 GW/t) e menor (31)% de eficiência térmica vs. 34%).

Os projetos Natrium e Xe-100 se saíram melhor do que o VOYGR em termos de geração de resíduos de front-end. Embora o enriquecimento de urânio dos combustíveis Natrium e Xe-100 seja um fator de três a quatro vezes maior que o PWR de referência, a massa de urânio empobrecido natural do Natrium é apenas 17% maior e o Xe-100 é 3% menor que o PWR de referência porque a combustão aumenta por fatores de 2,9 e 3,4, respectivamente. Além disso, a eficiência térmica é maior para ambos os projetos – 41% e 40%, respectivamente.

desperdício de fundo

Os valores das métricas anteriores, disseram os autores, são inversamente proporcionais à combustão e à eficiência térmica e são afetados pelas características do projeto do reator, como o espectro de nêutrons e o tipo de combustível. Comparado com o PWR de referência, o VOYGR gera 1,1 vezes a massa do SNF e 1,1 vezes o volume do SNF devido à sua combustão e eficiência térmica relativamente baixas. O VOYGR SNF também possui atividade, calor de decaimento e radiotoxicidade ligeiramente mais altos.

Os projetos Natrium e Xe-100 geralmente tiveram um desempenho melhor do que a referência VOYGR e PWR em relação ao resíduo residual. O Natrium gera 72% menos massa que o SNF, 42% menos volume, e o calor de 100 anos de decaimento é reduzido em 52% devido à sua maior combustão e maior eficiência térmica. Inicialmente, a atividade é cerca de 40% menor, mas a atividade de longo prazo é 20% a 40% maior devido ao maior teor de plutônio do SNF. O teor de plutônio também afeta a radiotoxicidade a longo prazo do SNF, que aumenta em 47% em 10.000 anos.

Enquanto isso, a massa do Xe-100 SNF e o calor de decaimento de 100 anos são 75% e 35% menores, respectivamente. Isso se deve novamente a uma combustão muito maior e maior eficiência térmica. A atividade normal é inicialmente cerca de 20% menor e continua a diminuir à medida que os produtos de fissão se decompõem. A radiotoxicidade do SNF é reduzida em 66% em 10.000 anos à medida que o plutônio e os actinídeos menores são reduzidos. No entanto, o SNF é maior por um fator de 12,3 devido ao projeto do combustível, que inclui grandes quantidades de intermediários de grafite e materiais de revestimento/matriz não combustível.

resíduos em fim de vida

Resíduos de baixo nível (LLW) das classes A, B e C, constituídos por materiais de construção ativados por nêutrons ou contaminados com radioisótopos. Um LLW Classe C (GTCC) maior consiste em componentes do reator localizados perto do núcleo ativo e ativados acima dos níveis de Classe C. Para PWRs, menos de 1% do LLW desligado é um GTCC.

O tamanho de desligamento de Classe A, B e C LLW do VOYGR é 10% menor que o PWR de referência. O volume de desligamento não foi calculado para Classe A, B e C LLW de Natrium e Xe-100, devido à falta de informações de projeto detalhadas sobre os prédios do reator, mas o desperdício do descarte de refrigerante foi avaliado e considerado insignificante.

Comparado com o PWR de referência, o tamanho GTCC normal do VOYGR é seis vezes maior. O Natrium inclui refletores radiais de nêutrons e o Xe-100 inclui blocos radiais de grafite que protegem outras estruturas centrais da ativação. Esses projetos não geram GTCC LLW apreciável se os conjuntos refletores e blocos de grafite forem substituídos periodicamente antes de serem energizados para o nível GTCC. No entanto, em comparação com o PWR de referência, o Natrium e o Xe-100 geram um fator quatro e 193 vezes maior que o volume do GTCC, respectivamente, quando os conjuntos refletores e os blocos de grafite estão presentes no núcleo durante a vida útil do reator.

No entanto, deve-se notar que, com exceção do tamanho do SNF, outras métricas de desperdício de SNF são impulsionadas pela física subjacente, enquanto o desperdício de desligamento é altamente dependente das técnicas de desligamento usadas. Portanto, disseram os pesquisadores, “há uma incerteza significativa nos valores computados dos resíduos de descomissionamento, dado o tempo disponível (em décadas) para o avanço da tecnologia”.

No final, o relatório da ANL diz, assumindo um projeto adequado do sistema de gerenciamento de resíduos e otimização operacional, “parece não haver desafios significativos para o gerenciamento de resíduos SMR em comparação com os resíduos LWR de referência”.

NuScale pesa

Em uma postagem no Medium, uma plataforma de publicação on-line, John Hopkins, presidente e CEO da NuScale, escreve: “O que é importante sobre essa pesquisa independente é que ela valida o que nós da NuScale sabemos o tempo todo, que nossa usina de energia VOYGR SMR produz a quantidade de consumo de combustível comparável a um grande reator de água pressurizada (PWR) típico por gigawatt-ano. Além disso, o estudo do Argonne National Laboratory descobriu que as características dos resíduos de nossa usina VOYGR produziram menos resíduos de baixo nível para descomissionamento do que uma grande planta PWR típica e uma quantidade menor de combustível gasto em comparação com projetos SMR de grafite leve em desenvolvimento.”

Hopkins continuou: “Estamos satisfeitos em ver as vantagens de nossa tecnologia refletidas com mais precisão nesses estudos recentes e esperamos que eles forneçam uma estrutura mais útil à medida que as partes interessadas continuam a avançar com a implantação de tecnologias SMR e a consideração do gerenciamento seguro e protegido de combustível nuclear gasto”.

Aaron Larson Ele é o editor executivo da POWER (AaronL_Power, revista POWER).

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