Um reator reprodutor rápido ( FBR em inglês Fast neutron reactor ) é um reator nuclear que usa nêutrons rápidos que não são moderados em oposição aos nêutrons térmicos que podem ser moderados pelo grafite , pela água pesada ou pela água leve .
Até agora, todos os reatores comerciais rápidos sendo desmontados , construídos ou planejados são resfriados a sódio , mas outras tecnologias de reatores rápidos foram investigadas. Os reatores de nêutrons rápidos estão sendo considerados novamente desde 2001 no âmbito do Fórum Internacional Geração IV .
Hoje em dia (fevereiro de 2020), três reatores de nêutrons rápidos fornecem uma rede elétrica : os reatores russos Beloyarsk-3 ( BN-600 ) e Beloyarsk-4 ( BN-800 ) e o CEFR chinês. Um reator está em fase de operação, o ( PFBR (en) ) em Kalpakkam , Índia, e outro está em construção na China, o CFR-600. Oito estão parados.
Os nêutrons emitidos durante a fissão de um actinídeo inicialmente têm uma alta velocidade que limita a probabilidade de que eles interajam com o material físsil e levem a uma reação em cadeia.
Uma primeira solução é desacelerá-los (“ termalizar ”) por um moderador (água, grafite ou água pesada ), o que faz com que percam sua energia por choques sucessivos. Eles são então chamados de nêutrons térmicos , "permitindo uma reação em cadeia eficiente e, portanto, um melhor rendimento do reator para o urânio 235 , cuja probabilidade de fissão por nêutrons térmicos é alta" . É esta solução que é usada em reatores de corrente (tipos PWR, BWR, etc.).
A outra solução é escolher deliberadamente não incorporar um moderador. Temos então nêutrons rápidos , cuja energia cinética é alta. Esses nêutrons rápidos têm a vantagem de quebrar todos os núcleos pesados e não apenas os materiais físseis . O uso de nêutrons rápidos também limita as capturas estéreis (ou seja, as capturas não dando origem a uma nova fissão), o que tende a melhorar a eficiência do reator.
Por outro lado, a taxa de vazamento de nêutrons para fora do núcleo (nêutrons que são perdidos para o reator) é maior e a probabilidade de fissão por nêutrons rápidos é menor do que em um reator de nêutrons térmicos . É necessário, portanto, ter um núcleo mais enriquecido em material físsil .
Além disso, os materiais férteis podem ser colocados na periferia do coração (falamos de cobertura fértil) para usar os nêutrons que vazam . Este é o princípio da reprodução : recuperar os nêutrons que saem para transmutar um material que é a priori inutilizável ( fértil, mas não físsil) em material físsil . Os FNRs correspondem a três dos seis tipos de reatores nucleares da Geração IV .
Os reatores de metal líquido podem ser do tipo piscina ou do tipo loop. A arquitetura da piscina torna possível manter permanentemente o refrigerante do circuito primário dentro do tanque principal (as bombas primárias e os trocadores intermediários estão imersos no tanque principal), enquanto os reatores de circuito usam bombas primárias e tubos com o exterior do tanque e os trocadores externos.
Em 2007, todos os RNR em operação são projetados com circuito de resfriamento pelo líquido de sódio . É o setor de reatores nucleares com nêutrons rápidos e refrigerante de sódio . Embora inflamável em contato com o ar, corrosivo e reaja violentamente em contato com a água, o sódio é preferido pelas seguintes razões:
Outros refrigerantes metálicos estão sendo estudados, por exemplo, a liga de Pb - Bi ou chumbo .
Em reatores rápidos de nêutrons resfriados a sódio (RNR-Na), o sódio líquido pode inflamar ao entrar em contato com o ar, desintegrar o concreto e causar uma explosão ao entrar em contato com a água. Foi o que aconteceu durante o incêndio ocorrido no reator de Monju (Japão) emDezembro de 1995.
Para evitar o risco de reação sódio / água, vários cuidados são adotados:
Para limitar as consequências da ignição no contato com o ar:
O setor foi originalmente desenvolvido com o objetivo de reduzir o custo de produção do combustível utilizado nas usinas, evitando a etapa de enriquecimento de urânio , e porque se temia nos anos 1960 uma escassez de reservas de urânio . A justificativa econômica do reator de nêutrons rápidos vem principalmente de sua capacidade de gerar ou regenerar plutônio além da energia produzida, podendo esse plutônio ser parcialmente reutilizado no reator, reciclado em plutônio militar ou transformado em combustível MOX (mistura de urânio e plutônio).
No entanto, a lucratividade do setor MOX resultante da criação tem, por exemplo, sido contestada pela Academia de Ciências dos Estados Unidos . Com efeito, em 1995, considerou que não era rentável ao preço de mercado do urânio . Em 2001, a criação também foi interrompida nos Estados Unidos . O setor de MOX resultante do tratamento de combustível nuclear irradiado de usinas convencionais está, por outro lado, em desenvolvimento no mesmo país, uma vez que um centro de produção está previsto para ser inaugurado em 2016 em Savannah River. Uma comissão de inquérito do parlamento francês, sobre os custos da energia nuclear concluiu em 2014, que teve grande dificuldade em avaliar o interesse económico da MOX face ao simples armazenamento de resíduos, mas que na melhor das hipóteses “não custou mais para armazenar o combustível queimado diretamente do que para reprocessá-lo ”, o processo MOX envolve maiores riscos.
Na França, o reator rápido de nêutrons foi projetado com o objetivo de usar plutônio militar em reatores civis. O desligamento do reator Superphénix levou ao desenvolvimento de um sistema MOX para abastecer, por um lado, alguns reatores do setor francês PWR que foram adaptados para poderem utilizar este tipo de combustível (22 reatores de 58 reatores em 2013), por outro lado, as centrais mais recentes, como a EPR , que por concepção também podia funcionar apenas com combustível MOX. Esse combustível tem a desvantagem de produzir mais resíduos de longo prazo do que o plutônio em um reator de nêutrons rápido, que no final do ciclo apenas produz chumbo.
Os oponentes dos reatores reprodutores apontam que leva cerca de 20-30 anos para dobrar a quantidade de plutônio inicialmente fornecida a um reator de nêutrons rápido (tempo de duplicação). Dada a diminuição das reservas de urânio a partir de 2025, no estado atual dos depósitos conhecidos, seria necessária a substituição gradativa da frota de reatores de água pressurizada por uma frota de reatores reprodutores, de forma a ter combustível plutônio suficiente. Na verdade, apenas dez toneladas de plutônio são produzidas a cada ano pelas usinas francesas no setor tradicional. A rentabilidade a longo prazo parece incerta, em particular devido ao elevado grau de tecnicidade associada à gestão de riscos mais significativos do que para o setor tradicional. Assim, por exemplo, o desmantelamento de Superphénix está actualmente previsto para durar 31 anos, enquanto para o desmantelamento de uma central eléctrica normal, as principais obras demoram cerca de vinte anos, enquanto todos os resíduos não podem ser desmontados durante pelo menos cinquenta anos .
Hoje em dia (fevereiro de 2020), três reatores de nêutrons rápidos fornecem uma rede elétrica : os reatores russos Beloyarsk-3 ( BN-600 , de 560 MWe ) e Beloyarsk-4 ( BN-800 , de 820 MWe ) e o CEFR chinês (20 MWe ), próximo a Pequim.
Dois RNRs estão em construção, fevereiro de 2020. Uma se aproxima da fase operacional, o PFBR (en) Indian (470 MWe ) para Kalpakkam . O outro é construído pela China, um demonstrador do tipo CFR-600.
Outros oito reatores rápidos estão permanentemente desligados, nos Estados Unidos , Reino Unido , França , Alemanha , Cazaquistão e Japão .
Este tipo de reator nuclear é um dos setores examinados pelo fórum internacional Geração IV com o objetivo de projetar futuros reatores nucleares.
O reator BN-350 está localizado em Aktau (anteriormente Shevchenko de 1964 a 1992 ), Cazaquistão, às margens do Mar Cáspio . Este reator reprodutor rápido foi comissionado em 1973 e desligado em 1999. Além de produzir eletricidade para a cidade vizinha (150 MW ), produzia plutônio ( gerador de combustível) e água potável por dessalinização (120.000 m 3 / dia ).
Na Rússia, o reator de 600 MWe BN-600 está operando desde 1980 na usina nuclear Beloyarsk . O reator BN-800 , usando a mesma tecnologia, mas de 800 MWe , está em operação desde 2016.
A França construiu três reatores rápidos na cadeia de reatores rápidos de refrigerante de sódio :
ASTRID é uma proposta francesa para um novo protótipo de reator rápido refrigerante de sódio de 4ª geração . Este projeto liderado pelo CEA , com uma capacidade de 600 MWe e o comissionamento estava previsto para começar em 2020; está suspenso em 2019, pelo menos até a “segunda metade do século” .
Na Alemanha, um RNR foi construído em 1973 em Kalkar, no Baixo Reno . Depois de muitos protestos, não foi comissionado conforme planejado em 1987.
O local de Dounreay, no extremo norte da Escócia, abrigava dois protótipos de reatores de nêutrons rápidos:
O site Dounreay pertence ao NDA desde 2004 . O seu desmantelamento é operado pela Dounreay Site Restauration Limited sob a supervisão da Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA). Seu desmantelamento faz parte da prioridade número dois do NDA , depois do site de Sellafield .
Neste local existe também o DMTR (Dounreay Materials Test Reactor), um reator de pesquisa do tipo DIDO (in) , que divergiu pela primeira vez em 1958. Seu primeiro objetivo era fazer materiais sob alto fluxo de irradiação de nêutrons testes comportamentais. Ele foi preso em 1969.
O reator experimental de nêutrons rápidos chineses (CEFR), um protótipo chinês de RNR, foi construído pelos russos OKBM Afrikantov, OKB Gidopress, Nikiet e o Instituto Kurchatov perto de Pequim. Este primeiro reator de nêutrons rápido experimental chinês de quarta geração fornece 20 MWe (65 MWth ) de energia elétrica . Ele realizou sua primeira divergência em21 de julho de 2010 e estava conectado à rede em 21 de julho de 2011.
Dois reatores russos do tipo BN-800 seriam construídos pela Rússia na cidade de Sanming , como parte de uma parceria concluída em 2009, e colocados em serviço após 2020. Desentendimentos sobre custos e transferências de tecnologia finalmente decidiram que a China capitalizaria a experiência de o CEFR para projetar e construir seu próprio modelo FNR.
Assim, o CNNC anunciou tardedezembro de 2017o início da construção de um demonstrador de 600 MWe projetado pelo Instituto Chinês de Energia Atômica , o CFR-600, em Xiapu , província de Fujian . Poderia seguir um segundo espécime, um terceiro em temperatura muito alta e quatro outros com nêutrons térmicos.
Um modelo comercial de potência ainda maior, o CFR-1000, está em fase de projeto e pode ver um primeiro local começar em 2028, para produzir 1000 a 1200 MWe em 2034. Finalmente, o modelo CFR-1200 está previsto no âmbito do Fórum internacional Geração IV .
CNNC também anunciou em outubro de 2017a criação de uma joint venture com a US TerraPower , empresa criada em 2006 e financiada por Bill Gates , que planeja comercializar um reator de ondas viajantes de tecnologia (TWR, reator de ondas viajantes ).
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