Pequenos reatores modulares produzem altos níveis de resíduos nucleares

By | Junho 6, 2022

Os reatores nucleares geram fornecimentos confiáveis ​​de eletricidade com emissões limitadas de gases de efeito estufa. Mas um Usina nuclear que produz 1.000 megawatts de eletricidade também produz resíduos radioativos que devem ser isolados do meio ambiente por centenas de milhares de anos. Além disso, o custo de construção de uma grande usina nuclear pode chegar a dezenas de bilhões de dólares.

Os técnicos estão carregando o experimento no Reator de Teste Avançado do Laboratório Nacional de Idaho. (Crédito da imagem: cortesia do Laboratório Nacional de Idaho)

Para enfrentar esses desafios, a indústria nuclear está evoluindo pequenos reatores modulares que produzem menos de 300 megawatts de eletricidade e podem ser montados em fábricas. Analistas industriais eles dizem que esses projetos modulares avançados serão mais baratos e produzirão menos subprodutos radioativos do que os grandes reatores convencionais.

Mas estude Publicados 31 de maio às Anais da Academia Nacional de Ciências chegou à conclusão oposta.

“Nossos resultados mostram que a maioria dos projetos de reatores modulares pequenos realmente aumentará o volume de resíduos nucleares que precisam ser gerenciados e descartados, por fatores de 2 a 30 para reatores em nosso estudo de caso”, disse a líder do estudo Lindsay Krall, ex-Pós-doutorado da MacArthur. Bolsista da Universidade Stanford Centro de Segurança e Cooperação Internacional (CISAC). “Essas descobertas contrastam fortemente com os benefícios de redução de custos e resíduos que os proponentes reivindicaram para tecnologias nucleares avançadas”.

Energia nuclear mundial

Opera cerca de 440 reatores nucleares globalmente, fornecendo aproximadamente 10% da eletricidade do mundo. DENTRO Estados Unidos93 reatores nucleares produzem quase um quinto do fornecimento de eletricidade do país.

Ao contrário das usinas de energia movidas a carvão ou gás natural, as usinas nucleares emitem pouco dióxido de carbono, que é uma das principais causas do aquecimento global. Os proponentes dizem que, à medida que a demanda global por energia limpa aumenta, mais energia nuclear será necessária para reduzir os efeitos das mudanças climáticas.

Mas a energia nuclear não é isenta de riscos. Somente nos EUA eles têm usinas nucleares comerciais produzido mais de 88.000 toneladas métricas de combustível nuclear usado, bem como quantidades significativas de resíduos radioativos de nível médio e baixo. A maioria dos resíduos radioativos, principalmente combustível irradiado, terá que ser isolado em depósitos geológicos de mineração profunda por centenas de milhares de anos. Atualmente, os EUA não têm nenhum programa de desenvolvimento de repositório geológico, depois de gastar décadas e bilhões de dólares no sítio Yucca Mountain, em Nevada. Como resultado, o combustível nuclear usado é atualmente armazenado em piscinas ou em barris secos nos locais dos reatores, acumulando a uma taxa de cerca de 2.000 toneladas métricas por ano.

Métricas simples

Alguns analistas considere que pequenos reatores modulares reduzirão significativamente a massa de combustível nuclear usado produzido em comparação com reatores nucleares convencionais muito maiores. Mas essa conclusão é excessivamente otimista, dizem Krall e seus colegas.

“Métricas simples, como estimativas de massa de combustível usado, oferecem poucas informações sobre os recursos que serão necessários para armazenar, embalar e descartar combustível usado e outros resíduos radioativos”, disse Krall, que agora é cientista da Empresa sueca de gerenciamento de combustível e resíduos nucleares. “Na verdade, incrivelmente poucos estudos analisaram o gerenciamento e descarte de fluxos de resíduos nucleares de pequenos reatores modulares”.

Dezenas Projetos de pequenos reatores modulares foram propostos. Para este estudo, Krall analisou fluxos de resíduos nucleares de três tipos de pequenos reatores modulares desenvolvidos pela Toshiba, NuScale e Terrestrial Energy. Cada empresa usa um design diferente. Os resultados dos estudos de caso são apoiados por cálculos teóricos e uma visão mais ampla do projeto. Essa abordagem tripla permitiu que os autores tirassem conclusões fortes.

“A análise foi difícil porque nenhum desses reatores ainda está em operação”, disse o coautor do estudo. Rodney Ewing, Frank Stanton, professor de segurança nuclear em Stanford e codiretor do CISAC. “Além disso, os projetos de alguns reatores são proprietários, adicionando barreiras adicionais à pesquisa”.

Vazamento de nêutrons

A energia é produzida em um reator nuclear quando um nêutron divide um átomo de urânio no núcleo do reator, criando nêutrons adicionais que dividem ainda mais outros átomos de urânio, criando uma reação em cadeia. Mas alguns nêutrons saem do núcleo – um problema chamado vazamento de nêutrons – e atingem materiais estruturais ao redor, como aço e concreto. Esses materiais tornam-se radioativos quando são “ativados” por nêutrons perdidos do núcleo.

Um novo estudo mostrou que, devido ao seu tamanho menor, os reatores modulares pequenos sofrerão mais vazamento de nêutrons do que os reatores convencionais. Esse aumento de vazamento afeta a quantidade e a composição de seus fluxos de resíduos.

“Quanto mais nêutrons vazam, mais radioatividade é criada pelo processo de ativação de nêutrons”, disse Ewing. “Descobrimos que pequenos reatores modulares gerarão pelo menos nove vezes mais aço ativado por nêutrons do que as usinas convencionais. Esses materiais radioativos precisam ser manuseados com cuidado antes do descarte, o que será caro.”

O estudo também mostrou que o combustível nuclear usado de pequenos reatores modulares será descarregado em quantidades maiores por unidade de energia extraída e pode ser muito mais complexo do que o combustível irradiado descarregado de usinas de energia existentes.

“Alguns projetos de pequenos reatores modulares exigem combustíveis e refrigerantes quimicamente exóticos que podem produzir resíduos difíceis de gerenciar para descarte”, disse o coautor. Allison Macfarlane, Professor e Diretor da Escola de Políticas Públicas e Assuntos Globais da Universidade de British Columbia. “Esses combustíveis e refrigerantes exóticos podem exigir tratamento químico caro antes do descarte”.

“A mensagem para a indústria e os investidores é que o fim do ciclo do combustível pode envolver custos ocultos que precisam ser abordados”, disse Macfarlane. “É do melhor interesse dos projetistas e reguladores de reatores entender as implicações de resíduos desses reatores”.

Radiotoxicidade

O estudo conclui que, em geral, os projetos modulares pequenos são inferiores aos reatores convencionais em termos de geração de resíduos radioativos, requisitos de gerenciamento e opções de descarte.

Um dos problemas é a radiação de longo prazo do combustível nuclear usado. A equipe de pesquisa estimou que, após 10.000 anos, a radiotoxicidade do plutônio no combustível irradiado emitido pelos três módulos de estudo seria pelo menos 50% maior do que o plutônio no combustível irradiado convencional por unidade de energia extraída.

Devido a esse alto nível de radiotoxicidade, os aterros geológicos para resíduos de pequenos reatores modulares devem ser cuidadosamente selecionados por meio de um processo de localização completo, disseram os autores.

“Não deveríamos ser nós que conduzimos esse tipo de estudo”, disse Ewing. “Os fornecedores, aqueles que propõem e recebem apoio federal para o desenvolvimento de reatores avançados, devem se preocupar com o desperdício e realizar pesquisas que possam ser revisadas na literatura aberta.”

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