Todos os reactores nucleares comerciais funcionam praticamente da mesma forma. Átomos de um material radioactivo dividem-se, emitindo neutrões. Estes atingem outros átomos, dividindo-os e fazendo com que emitam mais neutrões, que atingem outros átomos, continuando a reacção em cadeia.
Isto liberta calor, que pode ser usado directamente ou ajudar a transformar água em vapor para fazer girar uma turbina e produzir electricidade. Hoje, estes reactores normalmente usam o mesmo combustível, o urânio, e o mesmo refrigerante, a água, e todos têm aproximadamente o mesmo tamanho, que é enorme. Durante décadas, estes gigantes têm enviado electrões para redes eléctricas em todo o mundo. A sua popularidade aumentou nos últimos anos, à medida que preocupações com as alterações climáticas e a independência energética abafaram preocupações sobre derretimentos e resíduos radioactivos. O problema é que construir centrais nucleares é caro e lento.
Uma nova geração de tecnologia de energia nuclear poderia reinventar como é um reactor e como ele funciona. Defensores esperam que ela possa renovar o sector e ajudar a substituir combustíveis fósseis sem emitir gases com efeito de estufa.
A procura de electricidade está a crescer em todo o mundo. O aumento das temperaturas e o desenvolvimento das economias estão a colocar mais aparelhos de ar condicionado em funcionamento. Esforços para modernizar a manufactura e cortar a poluição climática estão a mudar a indústria pesada (que fornece insumos para sectores como siderurgia, mineração, petroquímica, construção naval e automóvel). O boom da Inteligência Artificial está a colocar em funcionamento mais centros de dados que consomem muita energia.
A energia nuclear pode ajudar, mas apenas se novas centrais forem seguras, fiáveis, baratas e capazes de entrar em funcionamento rapidamente. Veja como esta nova geração pode vir a ser.
Reduzindo o tamanho
Toda a central nuclear construída hoje é basicamente feita por medida, projectada para um local específico. Mas os pequenos reactores modulares (Small Modular Reactors, ou SMRs, na sigla em inglês) poderiam levar a linha de montagem ao desenvolvimento de reactores nucleares. Ao tornar os projectos menores, as empresas poderiam construir mais deles e os custos poderiam cair à medida que o processo é padronizado.
Se isto funcionar, os SMRs também poderiam significar novos usos para a energia nuclear. Bases militares, locais isolados, como minas, ou comunidades remotas que precisem de energia após um desastre, poderiam usar reactores móveis, como um em desenvolvimento pela BWXT, com sede nos Estados Unidos, em parceria com o Departamento de Defesa. Ou instalações industriais que precisem de calor para coisas como fabrico químico poderiam instalar um pequeno reactor, como uma fábrica química planeia fazer em cooperação com a startup nuclear X-energy.
Duas centrais com SMRs estão hoje em operação, na China e na Rússia, e outras unidades iniciais provavelmente seguirão o seu exemplo e fornecerão electricidade à rede. Na China, o projecto de demonstração Linglong One está em construção num local onde dois grandes reactores já estão em funcionamento. O SMR deverá entrar em funcionamento até ao fim do ano. Nos Estados Unidos, a Kairos Power obteve recentemente aprovação regulamentar para construir o Hermes 2, um pequeno reactor de demonstração. Deverá operar até 2030.
Uma grande questão para projectos de reactores menores é até que ponto uma abordagem de linha de montagem ajudará realmente a reduzir custos. Embora os SMRs talvez não sejam, em si, feitos por medida, ainda serão instalados em locais diferentes e o planeamento para a possibilidade de sismos, inundações, furacões ou outras condições específicas do local continuará a exigir alguma personalização dispendiosa.
Abastecendo
Quando se trata de urânio, o número que realmente importa é a concentração de urânio-235, o tipo que pode sustentar uma reacção em cadeia. A maior parte do elemento é um isótopo mais pesado, o urânio-238, que não pode garantir a reacção em cadeia. O urânio que ocorre naturalmente contém cerca de 0,7% de urânio-235, pelo que, para ser útil, precisa de ser enriquecido, concentrando esse isótopo.
O material usado para armas nucleares é altamente enriquecido para níveis de urânio-235 acima de 90%. Os reactores nucleares comerciais de hoje usam um material muito menos concentrado como combustível, geralmente entre 3% e 5% de urânio-235. Novos reactores poderiam elevar essa quantidade, usando uma classe de material chamada urânio de baixo enriquecimento de alto teor (High-Assay Low-Enriched Uranium, ou HALEU, na sigla em inglês), que varia de 5% a 20% de urânio-235, ainda bem abaixo do enriquecimento ao nível de armas.
Essa concentração mais alta significa que o HALEU pode sustentar uma reacção em cadeia por muito mais tempo antes de o reactor precisar de ser reabastecido (a duração varia com a concentração, quanto maior o enriquecimento, maior o intervalo entre os reabastecimentos). Essas percentagens mais altas também permitem arquitecturas alternativas de combustível.
As centrais nucleares típicas hoje usam combustível que é prensado em pequenos pellets (pequena porção de material aglomerada, geralmente, em formato cilíndrico), que, por sua vez, são empilhados dentro de grandes varetas revestidas com uma cobertura de zircónio. Mas urânio de maior concentração pode ser transformado em combustível isotrópico tristrutural, ou TRISO.
O TRISO usa pequenos grãos de urânio, com menos de um milímetro de diâmetro, revestidos em camadas de carbono e cerâmica que contêm o material radioactivo e quaisquer produtos das reacções de fissão. Fabricantes embutem essas partículas em pellets cilíndricos ou esféricos de grafite. O combustível de facto compõe uma proporção relativamente pequena do volume desses pellets, e é por isso que usar material mais enriquecido é importante.
Os pellets são um mecanismo de segurança embutido, um sistema de contenção que pode resistir à corrosão e sobreviver à irradiação de neutrões e a temperaturas acima de 1.800 °C. Reacções de fissão acontecem com segurança dentro de todas essas camadas protectoras, que são projectadas para deixar o calor infiltrar-se para fora e ser levado pelo refrigerante para ser usado.
Arrefecendo
O material refrigerante num reactor controla a temperatura e transporta calor do núcleo para onde quer que ele seja usado para fazer vapor, que então pode gerar electricidade. A maioria usa água para esse trabalho, mantendo-a sob pressões muito elevadas para que permaneça líquida enquanto circula. Mas novas empresas estão a reinventar esse processo com outros materiais, como gás, metal líquido ou sal fundido.
Estes reactores podem operar os seus circuitos de refrigerante a temperaturas muito mais altas do que é possível usando água, passando dos 500 °C, em comparação com um máximo de cerca de 300 °C. Isto ajuda porque é mais fácil transportar calor a altas temperaturas e substâncias mais quentes produzem vapor de forma mais eficiente.
Refrigerantes alternativos também podem ajudar na segurança. Um circuito de refrigerante de água opera a mais de cem vezes a pressão atmosférica padrão. Manter a contenção é complicado, mas vital. Uma fuga que permita que o refrigerante escape poderia fazer o reactor entrar em derretimento.
Os de metal e sal, por outro lado, permanecem líquidos a altas temperaturas, mas a pressões mais administráveis, mais próximas de uma atmosfera. Assim, estes projectos de próxima geração não precisam de equipamentos de contenção reforçados, de alta pressão.
Estes novos refrigerantes certamente introduzem as suas próprias complicações, porém. O sal fundido pode ser corrosivo na presença de oxigénio, por exemplo, pelo que os construtores precisam de escolher cuidadosamente os materiais usados para construir o sistema de arrefecimento. E, como o metal sódio pode explodir quando entra em contacto com água, a contenção é fundamental em projectos que dependem dele.
No fim, os reactores que usam refrigerantes alternativos ou novos combustíveis precisarão de demonstrar não apenas que podem gerar energia, mas também que são robustos o suficiente para operar com segurança e de forma económica durante décadas.
Casey Crownhart