MODELOS TECNOLÓGICOS DE REATORES

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MODELOS TECNOLÓGICOS DE REATORES
Perspectivas e Desenvolvimento no Mundo
Entrevista
Roberto C. A. Travassos – Diretor Financeiro da ABEN
ABEN – Associação Brasileira de Energia Nuclear

Promovido pela Planeja & Informa Comunicação e Marketing nos dias 14 e 15 de maio do corrente, no Rio de Janeiro, o 5º SIEN – Seminário Internacional de Energia Nuclear contará com a participação do diretor financeiro da Associação Brasileira de Energia Nuclear – ABEN, o engenheiro Roberto C. A. Travassos. Ele comporá, no segundo dia do evento, o painel “Modelos Tecnológicos de Reatores – Perspectivas e Desenvolvimento no Mundo” junto com representantes de três gigantes da indústria nuclear mundial: Westinghouse – EUA, Areva – França e Rosatom – Rússia.
Por se tratar de uma associação sem vínculos comerciais com quaisquer fornecedores, a ABEN abordará o tema proposto pelo painel de uma forma abrangente, apresentando o contexto geral da evolução dos reatores e as perspectivas de desenvolvimento dessa forma de energia. A apresentação dos detalhes técnicos e das vantagens competitivas dos reatores fabricados por suas respectivas empresas caberá aos fabricantes. Confiram entrevista do diretor financeiro da ABEN.

Qual é a motivação principal e como vem ocorrendo o desenvolvimento tecnológico apresentado por vários tipos de reatores nucleares?
Roberto C. A. Travassos – No contexto desenvolvimentista, a indústria nuclear não se diferencia dos demais segmentos. Ao longo dos tempos todos os setores produtivos tiveram que, paulatinamente, se adequar e se modernizar para atender às exigências da humanidade e acompanhar a sua própria evolução. Particularmente nos últimos vinte ou trinta anos, a indústria, o comércio e o setor de serviços apresentaram acelerados desenvolvimentos e certamente as cobranças da sociedade por evoluções se intensificarão exponencialmente nos tempos por vir.

Na área nuclear, há inúmeros requisitos que devem ser atendidos, o que torna a evolução tecnológica dos reatores um fator fundamental para o sucesso dessa opção energética. Desde o início da década de 1950, quando foram construídas as primeiras instalações nucleares com propósitos pacíficos de geração de eletricidade, até os dias de hoje, os reatores vêm apresentando contínuos aprimoramentos técnicos.

A despeito das particularidades específicas de cada setor, dois parâmetros são fundamentais para o sucesso de um empreendimento: a qualidade dos serviços oferecidos e o retorno adequado do capital investido. Do ponto de vista empresarial, é plenamente justificável que qualquer corporação tenha o lucro como uma de suas metas, sejam os investimentos privados ou governamentais, atuem os investidores em mercados livres ou regulados, sejam os regimes políticos abertos ou fechados. Também sob essa ótica, os projetos de geração termonuclear não são exceções à regra.

Em se tratando da implantação de uma usina nucleoelétrica, devido ao fato de ser uma obra intensiva em capital, algumas variáveis são cruciais para se garantir taxas adequadas de rentabilidade e a competitividade frente a outras fontes energéticas: o investimento para implantação, o tempo de construção e a economicidade operacional, representada pelos custos de operação, de manutenção e de combustível.

Sob essa perspectiva, os projetos nucleares vêm apresentando excelentes avanços, por meio de melhorias em diversas variáveis: menores investimentos necessários à implantação, redução do cronograma de construção, melhorias das interfaces homem-máquina, maior disponibilidade operacional, maior vida útil das instalações, redução da possibilidade de acidentes com fusão do núcleo, melhor aproveitamento do combustível por meio de maiores taxas de queima, redução da quantidade de rejeitos gerados.

Com relação aos serviços oferecidos à sociedade por uma usina nuclear, estou convencido que a qualidade do produto não pode ser medida meramente pela quantidade de energia elétrica gerada e nem mesmo pelo tempo ininterrupto que essa energia é disponibilizada. É opinião unânime dos profissionais do setor, que a qualidade de qualquer instalação nuclear, independentemente de sua eficiência produtiva, está indelevelmente associada a sua segurança operacional. É notório que qualquer acidente em usinas nucleares, a depender da magnitude, além de suas consequências per si, pode ter fortíssimas repercussões na mídia, um gigantesco apelo promocional para grupos ideologicamente antinucleares e um enorme potencial de frear a utilização da energia nuclear em maior escala. Objetivando reduzir ao ínfimo quaisquer possibilidades de acidentes, sou partidário que quaisquer evoluções que se proponham para reatores nucleares devem priorizar a segurança operacional. Nesse contexto, grandes avanços foram alcançados ao longo dos anos e as usinas, hoje, são cada vez mais seguras, o que vem contribuindo para consolidar o uso da energia nuclear.

Como classifica o atual estado-da-arte do desenvolvimento de reatores de usinas nucleares?
Travassos – Atualmente o mundo conta com uma frota de mais de 430 usinas nucleares em operação em mais de 30 países. Todas elas utilizam reatores que pertencem à chamada Geração II e incorporam toda a evolução tecnológica e a experiência acumulada pelo setor desde a época de construção dos primeiros reatores da Geração I. Dessas usinas da Geração II, hoje em operação, mais de 80% utilizam reatores abastecidos com urânio levemente enriquecido e refrigerados com água comum, aproximadamente 10% fazem uso de reatores a urânio natural e refrigerados com água pesada e uma parcela menor usa como refrigerante algum tipo de gás. Essas últimas podem utilizar como combustível, tanto urânio enriquecido quanto natural ou mesmo uma mistura de urânio com plutônio.

Aqueles reatores da Geração I surgiram nos anos 1950 como protótipos experimentais e foram concebidos no período de transição do uso restrito da energia nuclear em projetos belicistas para o seu uso também em usinas para produção de eletricidade. Àquela época o mundo se defrontava com a continuidade de fortíssimas tensões geopolíticas surgidas durante a 2ª Grande Guerra Mundial e perpetuadas durante todo o período da “Guerra Fria”. De sorte que os reatores da Geração I, ou foram desenvolvidos a partir de projetos não pacíficos, ou tinham a finalidade híbrida de produção de eletricidade e fabricação de material para uso bélico.

São fartos os exemplos: a primeira produção de eletricidade por meio de um reator nuclear ocorreu no Laboratório de Argone (EUA) que, em 1951, fez um teste acendendo quatro lâmpadas incandescentes. Esse laboratório havia pertencido ao Projeto Manhattan, responsável pelo desenvolvimento das bombas atômicas “Little Boy” e “Fat Man” lançadas em 1945, respectivamente, em Hiroshima e em Nagazaki. O primeiro reator nuclear com fins declaradamente pacíficos começou a operar em 1954 e foi uma adaptação de uma antiga instalação militar para produção de plutônio em Obninky, na então União Soviética: o reator de 6 MW Atom Mirny (que em russo significa átomo da paz), um reator moderado a grafite e refrigerado a água e que foi o precursor dos reatores RBMK que vieram a equipar a central de Chernobyl. O primeiro reator para produção de eletricidade em escala comercial começou a operar em 1956 na usina britânica Calder Hall A, um reator Magnox de 40 MW, moderado a grafite, combustível urânio natural, refrigerado a dióxido de carbono e que tinha a finalidade híbrida de gerar eletricidade e produzir plutônio para utilização no programa bélico britânico. A primeira usina nuclear com fins exclusivamente pacíficos de geração de energia elétrica, Shippingport, entrou em operação comercial em maio de 1958 na Pensilvânia, Estados Unidos. O componente instalado em Shippingport, um reator PWR de 60 MW projetado para o uso de diversos tipos de combustíveis, foi uma adaptação em escala maior do reator que, àquela época, equipava o primeiro submarino com propulsão nuclear no mundo, o famoso submarino norte-americano Nautilus que já estava em operação desde 1954.

Nos dias atuais, todos os reatores da Geração I, construídos nas décadas 1950 e 1960 já foram descomissionados e retirados de operação. Hoje, todos os reatores da Geração II em operação, independentemente do tipo, modelo tecnológico, nacionalidade, combustível utilizado ou fabricante, incorporam uma série de modernizações, capazes de garantir um elevado padrão de segurança, ótimo controle da reatividade, alta produtividade representado por elevados fatores de disponibilidade e capacidade, eficientes sistemas de resfriamento do núcleo, boa capacidade de resistir a ataques terroristas e sistemas para garantir a não proliferação de materiais passíveis de uso na fabricação de artefatos bélicos. Esses reatores da Geração II são, ainda, equipados com dispositivos para impedir a liberação de material radioativo para o meio ambiente, na remota possibilidade de ocorrência de um acidente.

Atualmente já foram iniciadas diversas construções de usinas nucleares da Geração III+, que apresentam certas evoluções em relação às usinas da Geração II, ora em operação.

Quais as principais inovações tecnológicas da Geração III+ em relação aos reatores hoje em operação?
Travassos – Primeiramente, a despeito de o reator ser considerado o coração de uma usina nuclear e inegavelmente ser o componente mais importante da planta, entendo que a classificação didática em “gerações” não se restringe tão somente ao reator, mas sim a todo um conjunto de equipamentos, sistemas, projetado para executar centenas de funções. De sorte, que ao invés de particularizar apenas o reator, prefiro me referir a usinas de geração x ou y.

Comparativamente às usinas de Geração II, as usinas de Gerações III+ apresentam diversas evoluções técnicas. A principal inovação é a utilização em maior escala de sistemas passivos de segurança, cujos mecanismos de atuação dependem tão somente de fenômenos físicos naturais como, por exemplo, a força da gravidade, a troca térmica por convecção e a circulação natural de gases e líquidos. A grande vantagem de um sistema passivo em relação a um ativo tradicional (utilizado pelas usinas da Geração II) é que o sistema passivo entra automaticamente em operação no instante em que forem preenchidas as condições de seu projeto, bem como sua atuação independe da ação humana ou de equipamentos eletromecânicos.

Além do uso de sistemas passivos, as usinas de Geração III+ apresentam diversas outras evoluções técnicas: queima mais eficiente do combustível, melhor eficiência térmica, projetos mais simplificados e mais racionais, vida útil mais longa, sistemas para contenção de radiação mais eficientes, menor quantidade de rejeitos gerados e menores quantidades de equipamentos eletromecânicos. Outra vantagem a destacar na Geração III+ é a utilização das mais modernas técnicas para os Sistemas Digitais de Instrumentação e Controle, enquanto a grande maioria das usinas de Geração II ainda faz uso de sistemas analógicos.

Em termos de implantação da usina, as da Geração II foram construídas com os métodos tradicionais de obras civis e de montagens eletromecânicas. Já o projeto de algumas usinas da Geração III+ permite que sejam construídas e montadas em módulos, ou seja, grandes blocos de construção civil e de equipamentos são pré-fabricados ou pré-montados em fábricas e posteriormente transportados para montagem final no canteiro de obras. O uso desse tipo de construção modular, indubitavelmente, traz grandes vantagens competitivas, pela melhor organização do canteiro de obras, maior facilidade no gerenciamento dos almoxarifados e redução do cronograma de implantação.

A primeira usina avançada da Geração III foi construída em Kashiwazaki no Japão e entrou em operação em 1996, equipada com um reator ABWR de 1700 MW – Reator Avançado a Água Fervente. Na atualidade, diversos modelos de reatores avançados estão sendo construídos em diferentes países, como por exemplo: os reatores EPR-1650 MW que estão sendo implantados nas usinas Olkiluoto na Finlândia e Flamanville na França; os quatro reatores AP 1000 nas usinas norte-americanas Vogtle 3 e 4 e Summer 2 e 3; os reatores VVER – série V da Rosenergoaton que estão sendo construídos na Rússia e em diversos países do Leste Europeu.

Por razões estratégicas, a China, país atualmente com o maior número de usinas nucleares Geração III+ em construção, vem utilizando uma política de diversificação das opções tecnológicas, utilizando quase todos os tipos de reatores avançados para equipar suas 28 plantas em construção.

Quais países estão desenvolvendo os modelos tecnológicos mais modernos atualmente? Todos eles têm conceito com segurança passiva intrínseca?
Travassos – Hoje, existe uma diversificada oferta de modernas usinas desenvolvidas e comercializadas por companhias de várias nacionalidades que, em maior ou menor proporção, utilizam sistemas baseados no conceito de segurança passiva. Como exemplos de usinas de tecnologia PWR (Reator a Água Leve Pressurizada), estão o AP1000 – Advanced Power Reactor pela norte-americana Westinghouse em parceria com a japonesa Toshiba; o EPR – 1650 MW – European Pressurized Water Reactor pela francesa Areva, o APWR-1600MW – Advanced Pressurized Water Reactor pela japonesa Mitsubishi; o VVER1200 – Voda Voda Energo Reactor pela russa Rosenergoatom, o CAP1400 – Chinese Advanced Power Reactor pelas chinesas SNPTC e SNERDI com colaboração da Westinghouse; o CPR1000 – Chinese Pressurized Reactor desenvolvido pela chinesa SNPTC em parceria com a Areva; e o APR1400 – Advanced Pressurized Water Reactor pela sul-coreana KEPCO-KHNP.

Com base na tecnologia BWR (Reator a Água Fervente), destaco o ABWR – Advanced Boiling Water Reactor, com potência variando de 1350 MW a 1600 MW da companhia norte-americana General Electric em colaboração com a japonesa Toshiba e o ESBWR – Economic Simplified Boiling Water Reactor de 1600 MW, também da General Electric em parceria com a japonesa Hitashi.

Também existem reatores refrigerados e moderados a água pesada e com combustível urânio natural, como o CANDU-EC6 – Enhanced Canadian Deuterium Reactor de 750 MW da canadense AECL; o ACR – Advanced Candu Reactor nas versões de 700, 1000, 1100 e 1200 MW da também canadense Candu Energy Inc e o AHWR – Advanced Heavy Water Reactor de 300 MW desenvolvido pelo centro de pesquisa indiano BhaBha Atomic Research Center, que utilizará como combustível uma mistura de óxidos de urânio e tório.

Quais as principais vantagens dos Pequenos Reatores Modulares (SMRs)?
Travassos – Atualmente há um grande incentivo comercial para o desenvolvimento desses reatores. Os SMR – Small Modular Reactors se situam na faixa de potência variando de 25 MW a 300 MW e são desenvolvidos por diversos países, existindo inúmeros modelos. Normalmente, eles são construídos em uma fábrica e transportados para o local de utilização, são indicados para áreas isoladas nas quais não existem linhas de transmissão a longa distância, abastecimento de pequenas cidades, geração de calor para processos industriais ou locais onde há deficiência da mão de obra qualificada para a construção de uma planta nuclear.

Dependendo do uso apropriado, esses pequenos reatores apresentam inúmeras vantagens em relação a instalações de maior potência: menor investimento para a construção, projetos mais simples, menor tempo de construção, maior flexibilidade operacional podendo variar rapidamente a potência de operação, segurança reforçada e elevado percentual de sistemas que utilizam segurança passiva. Alguns modelos são projetados para operar por longos períodos sem abastecimento.

A grande maioria dos SMRs utiliza os conceitos de um reator PWR a água leve pressurizada, porém há alguns modelos a água leve fervente – BWR, reatores de nêutrons rápidos e reatores de alta temperatura refrigerados a grafite. Alguns tipos são refrigerados a metal líquido, hélio ou sal líquido.

Os atuais reatores nucleares de potência utilizados em praticamente todas as usinas nucleares do mundo são movidos por urânio? Por que não se usa o tório, um elemento mais abundante no planeta?

Travassos – Estou convicto que no horizonte futuro o tório desempenhará um papel importante na expansão do uso do nuclear com propósitos de geração de energia elétrica. De fato, são grandes as reservas de tório no mundo. O Brasil, por exemplo, possui grandes reservas de tório, notadamente nas areias monazíticas do litoral do Espírito Santo.

O tório, símbolo químico Th, por ter sido descoberto por um cientista sueco recebeu esse nome em homenagem ao Deus escandinavo do trovão Thor. É relativamente barato, porém o isótopo Th-232 que é encontrado em abundância na crosta terrestre não é físsil e não é capaz de sustentar grandes reações em cadeia. Tais reações são necessárias para fissionar o átomo e gerar a grande quantidade de calor que será utilizado pela usina nuclear.

Portanto, o Th-232 não físsil precisa se transmutar em outro isótopo físsil, o Th-231. Uma maneira de se obter o Th-231 é misturar nove porções de dióxido de tório ThO2, também conhecido como tória, com uma porção de dióxido de plutônio PuO2, o que gerará um óxido misto de tório, o MOXth. Outra maneira de se produzir material físsil é bombardear o isótopo não físsil Th-232 com prótons rápidos, que absorverá nêutrons e se transmutará em um isótopo artificial físsil de urânio, o U-233.

Diferentemente do urânio que em seu processo de fissão gera plutônio, o tório necessita consumir plutônio para se tornar físsil. Por isso muitos pesquisadores defendem a tese que o tório é muito mais limpo que o urânio e que a sua utilização possibilitará reduzir a quantidade de rejeitos dos processos operacionais de uma usina nuclear, reduzindo o risco de proliferação de material nuclear utilizado na fabricação de artefatos bélicos.

No momento, estão em progresso importantes pesquisas abrangendo o uso do tório em usinas nucleares. A companhia norueguesa Thor Energy pesquisa um combustível de tório que poderá vir a substituir os combustíveis atualmente utilizados a base de urânio. A China desenvolve um reator a sais fundidos de tório, TMSR – Thorium Molten Salt Reactor. Outro exemplo é o reator a fluoreto de tório líquido, LFTR – Liquid Fluoride Thorium Reactor, que é uma evolução do reator a sais fundidos de tório e cujo combustível é uma mistura líquida de oxido de tório com um isótopo físsil do urânio, U-233 ou U-235, ou mesmo com resíduos de plutônio. A China já anunciou que irá construir um reator com fins comerciais fazendo uso de combustível a base de fluoreto de tório líquido.

Um país que se destaca nas pesquisas do tório é a Índia. A usina de Krakapar, de 220 MW, já operou, durante certo período, abastecida com combustível a base de tório. A Índia também já anunciou que, em 2016, iniciará a construção de uma moderna usina de 300 MW abastecida com combustível misto de óxido de urânio e tório, a AHRW – Thorium Based Advanced Heavy Water Reactor. A motivação principal para a construção dessa usina é dar um uso industrial ao plutônio gerado como subproduto de seus inúmeros reatores a água pesada, bem como fazer uso de sua imensa reserva de tório.

Como estão as pesquisas sobre a geração de energia por fusão nuclear, conhecida como “energia das estrelas”?
Travassos – Posso dizer que sou um entusiasta da tecnologia baseada na fusão e estou convicto que, dentro de algumas décadas, a fusão revolucionará a utilização da energia nuclear para fins pacíficos e dominará o setor de produção de energia, seja para a geração de eletricidade, seja em diversos outros segmentos industriais.

Cientificamente, há duas formas de gerar energia a partir do átomo: por meio da fissão de um átomo pesado, gerando outros mais leves; ou o inverso, quando dois ou mais átomos leves se fundem gerando outro mais pesado. A razão de comumente se chamar o processo de fusão como a “energia das estrelas” advém do fato que no interior das estrelas, predominantemente e continuamente, ocorrer a fusão de quatro átomos de hidrogênio formando um átomo de hélio.

A tecnologia de fissão dos átomos pesados, principalmente do urânio, já está bastante consolidada e difundida e é utilizada comercialmente pelos reatores hoje em operação e, analogamente, será empregada nas 72 plantas ora em construção.

A tecnologia da fusão para utilização em usinas nucleoelétricas ainda está em fase de pesquisa e desenvolvimento em alguns países, tendo em vista que até hoje não foi encontrada uma forma de controlar a fusão como já acontece no processo de fissão. Já foi demonstrado, por várias experiências, que o processo de fusão, apesar de requerer enormes quantidades de energia para acontecer, tem a vantagem de liberar uma quantidade de energia muito maior do que a consumida.

Uma das vantagens principais da fusão em comparação à fissão é sua capacidade de gerar energia aliada a uma produção de rejeitos em baixíssima escala e o fato de não contribuir para a proliferação atômica, tendo em vista que no processo de fusão não há a geração de subprodutos que possam ser aproveitados pela indústria bélica nuclear.
No momento transcorrem importantes pesquisas dos fenômenos da fusão atômica em diversas partes do mundo, utilizando diferentes técnicas. Um exemplo é o projeto LIFE que vem sendo desenvolvido pela Universidade da Califórnia que utiliza o deutério e o trítio. Outro exemplo são as pesquisas da Universidade do Texas com base no reator a fusão do tipo “tokamak”, no qual a fusão se dá pela produção de um campo magnético toroidal criado por um potente eletroimã. Os resultados parciais de outras pesquisas em curso permitem concluir que, no futuro, será possível a construção de reatores híbridos fissão-fusão.

Todavia, o ITER, que em latim significa “o caminho”, é certamente a iniciativa mais ambiciosa. Promovido e supervisionado pela Agência Internacional de Energia Atômica (AIEA), o ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor é um projeto internacional de uma planta experimental, planejada para disponibilizar 500 MW de energia versus um consumo de aproximadamente 50 MW, ou seja, a máquina produzirá 10 vezes mais energia que seu consumo próprio. Localizado em Cadarache, na França, o custo de implantação do ITER é de cerca de 16 bilhões de euros, sendo rateado proporcionalmente entre os participantes do projeto. Considerando a participação de vários países europeus, a União Européia, por meio da Euratom, participa com 45,5% dos custos. Cada um dos outros seis partícipes (EUA, Índia, China, Japão, Rússia e Coréia do Sul) contribuem com 9,1%.

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